Relatório tfc caio eduardo silva - implementação de um sistema de aquisição e armazenamento...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

COORDENADORIA DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

TRABALHO FINAL DE CURSO

IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE

AQUISIÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS

DE SENSORES EM CARTÃO SD BASEADO A

PIC

ALUNO: Caio Eduardo Silva

ORIENTADOR: Leonardo Adolpho Rodrigues da Silva

Dezembro

2012

2

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL-REI

COORDENADORIA DO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

TRABALHO FINAL DE CURSO

IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA DE

AQUISIÇÃO E ARMAZENAMENTO DE DADOS

DE SENSORES EM CARTÃO SD BASEADO A

PIC

Trabalho Final de Curso submetido ao

Departamento do Curso de Engenharia

Elétrica, da Universidade Federal de São João

del-Rei, como requisito parcial para obtenção

do título de Engenheiro Eletricista.

Dezembro

2012

3

AGRADECIMENTOS

Começo agradecendo a Deus, pois sem ele tudo seria mais difícil, senão impossível.

Nele sempre tive o suporte quando mais precisei e por sempre ter iluminado e abençoado meu

caminho.

Agradeço aos meus pais Gilmar José da Silva e Tânia Aparecida de Miranda Silva

pelo apoio constante durante toda minha vida; vocês são meus heróis e sem vocês nada disso

seria possível e nem faria sentido. Agradeço também ao meu irmão Leonardo Henrique Silva

pelo apoio de sempre.

Meus mais sinceros agradecimentos a todos meus professores do Departamento de

Engenharia Elétrica, principalmente àqueles que mesmo diante de todos os tipos de

dificuldades enfrentadas durante nosso curso, fizeram de tudo para nos tornar os melhores

engenheiros e pessoas que podiam. Agradeço em especial ao meu orientador, Leonardo

Adolpho Rodrigues da Silva, pelas conversas, por estar sempre disposto a me ensinar e pelos

conselhos.

Por fim, mas não menos importantes, agradeço aos meus amigos Deyson Sidney,

Fernando Aparecido, Júlio César, Marcelo Junio, Philipe José, Ricardo Eurico, Tatiane Alice,

Wesley Josias e a todos integrantes da turma 07090 e agregados, pelo apoio nos momentos

mais difíceis e pelo conhecimento partilhado. Vocês jamais serão esquecidos.

4

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS ............................................................................................................. 3

RESUMO .................................................................................................................................. 6

LISTA DE FIGURAS .............................................................................................................. 7

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................. 8

1.1 RELEVÂNCIA DO TEMA ......................................................................................... 8

1.2 OBJETIVOS ................................................................................................................ 9

1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO ........................................................................ 10

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................... 11

2.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS (DATA LOGGER) ................................. 11

3. DESENVOLVIMENTO ................................................................................................. 14

3.1 CARACTERIZAÇÃO DINÂMICA DE UM VEÍCULO TERRESTRE .................. 14

3.1.1 SISTEMA DE COORDENADAS REFERENCIADO AO VEÍCULO ............ 14

3.1.2 SISTEMA DE COORDENADAS REFERENCIADO A TERRA .................... 15

3.2 CONVERSÃO DIGITAL - ANALÓGICO (D/A) .................................................... 16

3.3 ACELERÔMETRO ................................................................................................... 16

3.4 GIRÔMETRO ........................................................................................................... 17

3.5 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS) ........................................... 18

3.5.1 PROTOCOLO NMEA 0183 .............................................................................. 18

3.5.2 RECEPTOR GPS FASTRAX UP501 ................................................................ 19

3.6 COMUNICAÇÃO SPI (SERIAL PERIPHERAL INTERFACE BUS) ....................... 19

3.7 CARTÕES DE MEMÓRIA ...................................................................................... 20

3.7.1 CARTÃO SD (Secure Digital Card) .................................................................. 20

3.7.2 ESTRUTURA DETALHADA ........................................................................... 21

3.8 SISTEMA DE ARQUIVOS ...................................................................................... 21

3.9 MICROCONTROLADOR ........................................................................................ 22

5

3.10 GRAVADOR DE PIC ............................................................................................... 22

3.11 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA ................................................................... 23

3.11.1 SOFTWARE ...................................................................................................... 23

3.11.2 SIMULAÇÃO ........................................................................................................ 25

3.11.3 HARDWARE ..................................................................................................... 27

4. RESULTADOS ............................................................................................................... 30

5. CONCLUSÃO ................................................................................................................. 36

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 37

ANEXO I ................................................................................................................................. 40

ANEXO II ............................................................................................................................... 45

ANEXO III .............................................................................................................................. 46

ANEXO IV .............................................................................................................................. 47

6

RESUMO

Atualmente tem havido uma enorme busca por veículos elétricos cada vez mais

eficientes. Com o intuito de auxiliar um melhor dimensionamento dos atuadores de potência

destes, foi implementado um sistema baseado em microcontroladores PIC capaz de realizar a

aquisição de sinais de diversos sensores, tratá-los e os armazenar estes dados em cartão SD

para posterior análise. O mesmo disponibiliza, também, por meio de um conversor digital

analógico um sinal correspondente à velocidade desenvolvida pelo veículo no qual o sistema

estiver embarcado. A análise dos dados armazenados poderá contribuir para o

desenvolvimento de veículos elétricos, tema tão discutido atualmente e que se mostra um

grande campo de estudo, o que motivou o desenvolvimento de tal trabalho. O sistema é

composto por microcontroladores PIC, um acelerômetro de 3 eixos, um girômetro de 3 eixos

e um receptor GPS que fornece o trajeto do veículo e a velocidade desenvolvida pelo mesmo,

e por fim, um cartão SD onde os dados serão armazenados.

Palavras chave: microcontrolado, PIC, acelerômetro, girômetro, GPS, cartão SD.

7

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Composição Setorial do Consumo de Derivados de Petróleo .................................. 8

Figura 2 – Sistema de Coordenadas SAE ................................................................................. 14

Figura 3 – Veículo num Sistema de Coordenadas Referenciado a Terra ................................. 15

Figura 4: Rede R/2R ................................................................................................................. 16

Figura 5: Acelerômetro MMA7361 ......................................................................................... 17

Figura 6: Girômetros LPY550AL e LPR550AL ...................................................................... 17

Figura 7: Barramento SPI Típico (1 Mestre e 3 Escravos Independentes) .............................. 19

Figura 8: Cartões SD ................................................................................................................ 20

Figura 9: Gravador Multi PIC Programmer 5 Versão 2 ........................................................... 23

Figura 10: Fluxograma simplificado do algoritmo do sistema de aquisição de dados ............ 24

Figura 11: Fluxograma simplificado do algoritmo do sistema de gravação de dados ............. 25

Figura 12: Simulação do sistema ............................................................................................. 26

Figura 13: PCI da fonte de alimentação dos sistemas de aquisição e gravação de dados ........ 27

Figura 14: PCI do sistema de aquisição de dados .................................................................... 27

Figura 15: PCI do sistema de gravação de dados ..................................................................... 28

Figura 16: Fonte de alimentação dos sistemas de aquisição e gravação de dados ................... 28

Figura 17: Sistema de aquisição de dados ................................................................................ 28

Figura 18: Sistema de gravação de dados ................................................................................ 29

Figura 19: Trajeto percorrido traçado no Google Earth ........................................................... 30

Figura 20: Velocidade desenvolvida pelo veículo ................................................................... 31

Figura 21: Velocidade de giro - Eixo Roll .............................................................................. 31

Figura 22: Velocidade de giro - Eixo Pitch ............................................................................. 31

Figura 23: Velocidade de giro - Eixo Yaw ............................................................................. 32

Figura 24: Aceleração – Eixo X ............................................................................................... 33

Figura 25 Aceleração – Eixo Y ................................................................................................ 33

Figura 26 Aceleração – Eixo Z ................................................................................................ 33

Figura 27: Perfil de elevação do trajeto percorrido .................................................................. 35

8

1. INTRODUÇÃO

1.1 RELEVÂNCIA DO TEMA

Atualmente muito tem se discutido a respeito do desenvolvimento de formas para que

se diminua o consumo de combustíveis fósseis, já que a queima destes produzem grandes

quantidades de gases estufa e consequentemente contribuem de forma muito significativa para

poluição atmosférica e o aquecimento global.

Como apresentado em Queiroz (2006), no Brasil, o transporte rodoviário é o principal

meio de transporte de passageiros. As crescentes taxas de população urbana, a deficiência de

políticas públicas de transporte em massa e a retomada do crescimento econômico têm

implicado num aumento espantoso da motorização individual. Segundo dados da CETESB

citados por Queiroz (2006) a frota nacional de automóveis e veículos comerciais leves

aumentou de 10,325 milhões em 1990 para mais de 27 milhões em 2005, o que implica num

grande aumento dos poluentes emitidos na atmosfera.

Segundo dados do Ministério de Minas e Energia (2011), o setor de transportes em

2010 foi responsável pela maior parte do consumo de derivados do petróleo, como mostrado

na Figura 1 a seguir, e assim a utilização de outra forma de energia em veículos automotores

levaria a uma redução muito grande do consumo dos combustíveis fósseis.

Figura 1 – Composição Setorial do Consumo de Derivados de Petróleo

Fonte: Ministério de Minas e Energia (2011).

9

Como citado anteriormente, a queima de combustíveis fósseis contribui de forma

muito significativa para poluição atmosférica, e como dito por Queiroz (2006) a Organização

Mundial da Saúde (OMS) estima que a poluição atmosférica é responsável por cerca de 20%

a 30% das doenças respiratórias e entre 4% e 8% das mortes prematuras, o que é bastante

preocupante.

Segundo Baran e Legey (2010) a história dos veículos elétricos começa em meados do

século XIX, mas devido a diversos fatores a partir de 1930 passaram a ser produzidos numa

escala cada vez menor. Ainda segundo Baran e Legey (2010) somente após a década de 60 ,

quando a opinião pública começou a se voltar para os problemas ambientais, os automóveis

elétricos voltaram a atrair a atenção das grandes montadoras.

Começa então uma corrida para o desenvolvimento de veículos elétricos cada vez mais

eficientes. Nesse sentido, surge a ideia da construção de um sistema de aquisição de sinais de

diversos sensores embarcados em um veículo. Sensores como receptores GPS, acelerômetros,

girômetros, de forma a possibilitar a caracterização dinâmica de um veículo e então contribuir

para um melhor dimensionamento dos atuadores de potência do mesmo entre outros.

1.2 OBJETIVOS

Por meio de um estudo adequado, busca-se desenvolver um sistema de aquisição de

dados, capaz de realizar a aquisição de sinais de diversos sensores e armazenamento destes

dados para posterior análise, com vistas à caracterização dinâmica de um veículo elétrico.

Pretende-se desenvolver um sistema de aquisição que faça a aquisição dos sinais dos

dispositivos a seguir:

1 receptor GPS com taxa de atualização padrão de 1 Hz;

1 acelerômetro de três eixos (ax,ay,az);

1 girômetro de três eixos (Roll, Pitch, Yaw);

E que possua as seguintes especificações:

6 entradas analógicas de 3,3V, resolução de 10 bits e taxa de aquisição de 1 Hz;

1 canal serial com uma taxa de recepção/transmissão de 9600bps;

1 saída analógica de velocidade, resolução de 10 bits, taxa de atualização de 1Hz e

faixa de 0 a 3,3V (0 a 200 Km/h);

Memória Flash, cartão SD de até 2 Gb (Limitação do sistema de arquivos FAT16).

10

1.3 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO

O presente trabalho é constituído de cinco seções, incluindo este texto introdutório.

A seção 2 apresenta uma revisão bibliográfica sucinta sobre sistemas de aquisição de

dados, Data Loggers, em diversas aplicações e suas aplicações no desenvolvimento de

veículos elétricos.

Na seção 3 são apresentados conceitos teóricos importantes para a caracterização

dinâmica de um veículo elétrico, as características dos dispositivos e tecnologias utilizadas no

desenvolvimento deste trabalho. Além da apresentação do desenvolvimento do sistema, sendo

este desenvolvimento dividido em: desenvolvimento do software, simulação e confecção do

hardware.

Na seção 4 são apresentados os resultados obtidos com o desenvolvimento deste

sistema.

Na seção 5 tem-se a conclusão do trabalho, onde são discutidos os ganhos obtidos com

o desenvolvimento do mesmo e são feitas propostas de trabalhos futuros e melhorias no atual

sistema para torná-lo mais eficiente.

11

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS (DATA LOGGER)

Segundo Hackbart (2008) o Data Logger é um circuito eletrônico constituído de

hardware e software, cuja função consiste em um sistema de coleta e armazenamento

cronológico de dados sem a interferência humana. Esse circuito permite salvar os dados junto

aos sensores sem a necessidade de transmissão sem fio dos dados coletados.

Os Data Loggers vem sendo utilizados em diversos campos, para monitorar diversos

processos e então, obter mais informações sobre os mesmos. Iscold et. al. (2005) utilizam os

Data Loggers com o intuito de apresentar uma solução viável para ensaios de aeronaves

leves. Desenvolvem então, no Centro de Estudos Aeronáuticos da UFMG um sistema de

aquisição de dados, que combina a tecnologia dos microcontroladores PIC e palmtops (PDA)

para realizar a leitura e gravação dos dados de acelerômetros, receptor GPS (Garmin 16A)

com taxa de atualização de 5 Hz e muitos outros.

Coopmans e Chen (2008) desenvolvem um Data Logger espaço temporal (SEAL) que

utiliza um microcontrolador Atmel AT90USB1287, possui um GPS de com taxa de

atualização de 2Hz, bateria de polímero de íons de lítio, memória flash de alta densidade e

interface USB. Segundo Coopmans e Chen (2008) seu SAD (Sistema de Aquisição de Dados)

é adequado para a utilização em VANT´s (Veículos Aéreos não Tripulados) por ser,

compacto, autossuficiente e leve. A interface de sensores de CO2 e NH3 é realizada e o

sistema é colocado em um carro para mapear a presença destas substâncias numa determinada

região e segundo estes, posteriormente com o auxílio de aplicativos de mapeamento como o

Google Earth e/ou NASA WorldWind pode-se realizar a visualização dos dados gravados.

Iniciando o uso de Data Loggers a veículos automotivos Sallehuddin (2008)

desenvolve um sistema que tem não só a capacidade de registrar os dados de um veículo, mas

também processar as informações recebidas pelo receptor GPS, de forma a obter alguns dados

específicos, gravá-los em cartões multimídia (MMC) e tornar o sistema mais agradável ao

usuário utilizando o sistema de comunicação global (GSM).

Fertitta et. al. (2009) desenvolve também outro estudo envolvendo veículos

automotivos, neste estudo é desenvolvido um Data Logger muito compacto e de alta

performance para testes em veículos. Utiliza interface CAN (Controller Area Network) que

12

permite facilmente múltiplos esquemas de aquisição, e possui alta taxa de aquisição de dados,

até 100 Kbps/ch.

Segundo Fertitta et. al. (2009) atualmente os produtos comerciais disponíveis se

situam em duas categorias principais. Sistemas de aquisição de dados baseados em

computador ou Data Loggers autônomos. Sendo a primeira mais comum e flexível, mas

caracterizada por ocupar grandes volumes, alto consumo de energia, além de moderada

tolerância à vibração. Já a segunda é representada por uma unidade autônoma, capaz de

gravar os sinais dos sensores ou do barramento de dados do veículo.

No mesmo âmbito de veículos automotivos Sakhi et. al. (2009) propuseram projetar

um sistema embarcado a fim de coletar dados de movimento e determinar um modelo

comportamental de veículos.

Já na esfera de veículos elétricos, Costa (2009) propõe a implementação de um

controlador de tração num veículo elétrico, para tal utiliza um Data Logger responsável pela

obtenção de parâmetros indispensáveis para o desenvolvimento do modelo do veículo elétrico

em questão. Costa (2009) realiza um ótimo trabalho de pesquisa onde sumariza vários tipos

de sistemas Data Logger existentes no automobilismo esportivo, para traçar os requisitos do

seu sistema Data Logger. Em sua pesquisa pode-se perceber que no automobilismo esportivo

os Data Loggers utilizados possuem altas taxas de aquisição de dados, chegando a até 4 KHz.

Este faz uma comparação das principais características destes sistemas na Tabela 1 mostrada a

seguir.

Tabela 1: Comparação das Principais características dos sistemas Data Logger.

DL1 Digitek Cobra Digitek Shark RDL

Entradas

Analógicas

8 entradas

12 bit

0 – 12 V

16 entradas

12 bit

0 – 5 V

16 entradas

12 bit

0 – 5 V

12 entradas

Entradas

Digitais

2 rpm

4 velocidade

4 entradas de

velocidade e

rpm

4 entradas de

velocidade e

rpm

Sensores

Embutidos

GPS 5 Hz e

acelerômetros

de 3 eixos

Armazenamento

de Dados

Compact Flash

32MB – 2 GB 64 MB

256 MB de

memória

interna, Cartão

32 MB de

memória interna

Comunicação RS232 CAN

Ethernet

RS232, RS485

CAN

ARC Net

Ethernet

CAN

Ethernet

Alimentação 12V 7 – 18 V 7 – 18 V

Fonte: Costa (2009).

13

Mais recentemente Norma et. al. (2011) desenvolvem um sistema de monitoramento

online de variáveis de um veículo. Tem como objetivo gravar sua velocidade, rotações e

temperatura do motor, volume de combustível e distância percorrida. Os dados são salvos na

memória do microcontrolador e posteriormente são transmitidos pelo padrão de envio de

dados seriais RS 232, para um computador onde os dados são analisados e validados por meio

de dados de um navegador GPS externo.

Os estudos apresentados que utilizam receptores GPS, citam que possuem receptores

com taxas de atualização que vão de 1 Hz até 5 Hz como Iscold et. al. (2005). No mercado,

receptores GPS com taxas de atualização acima de 10Hz são bem raros e utilizados em

aplicações muito específicas. Neste estudo pretende-se utilizar um receptor GPS com taxa de

atualização padrão de 1 Hz, podendo o mesmo ser configurado para trabalhar com uma taxa

de atualização de até 10 Hz e então obter uma maior sensibilidade com relação à velocidade

desenvolvida pelo veículo. Por considerar sua taxa de atualização padrão suficiente para o

estudo em questão a mesma será utilizada.

Com relação às formas de armazenamento dos dados, cada estudo adota uma forma

diferente, devido ao custo envolvido, tempo de desenvolvimento, materiais disponíveis entre

outros. Costa (2009) faz uma análise com relação a isto, e apesar de não considerar a memória

interna da placa utilizada a melhor alternativa do ponto de vista técnica, resolve adotá-la, pois

as outras soluções poderiam aumentar o tempo e o custo de desenvolvimento do sistema.

Uma solução muito interessante é apresentada por Coopmans e Chen (2008) que

utilizam cartões MicroSD juntamente com o sistema de arquivos FAT16 da Microsoft como

forma de armazenamento, e justificam a escolha citando que desta forma pode criar arquivos

facilmente modificáveis em qualquer sistema operacional moderno além do pequeno tamanho

destes cartões. Outra justificativa apresentada é o fato de que diversos fabricantes de

computadores portáteis já incluem leitores destes cartões.

14

3. DESENVOLVIMENTO

3.1 CARACTERIZAÇÃO DINÂMICA DE UM VEÍCULO

TERRESTRE

De acordo com Gillespie (1992) o assunto dinâmica de veículos diz respeito aos

movimentos destes na superfície das estradas, sendo os movimentos de interesse a aceleração

e frenagem, o percurso e curvas. Onde o comportamento dinâmico é determinado pelas forças

impostas ao veículo a partir dos pneus, gravidade e aerodinâmica.

Gillespie (1992) considera o veículo uma massa concentrada em seu centro de

gravidade, momentos de inércia rotacionais apropriados o que segundo o mesmo é

dinamicamente equivalente ao veículo em todos os seus movimentos onde é razoável assumir

o veículo como sendo rígido. Apresenta dois sistemas de coordenadas adotados por

convenção pela SAE, sendo o primeiro referenciado ao próprio veículo e o segundo a Terra.

Figura 2 – Sistema de Coordenadas SAE

Fonte: adaptado de Gillespie (1992).

3.1.1 SISTEMA DE COORDENADAS REFERENCIADO AO VEÍCULO

Neste o centro de gravidade é a origem do sistema de coordenadas e pela convenção

SAE, as coordenadas são:

x – Para frente e no plano longitudinal de simetria.

y – Para fora da lateral direita do veículo.

z – Para baixo com relação ao veículo.

p – Velocidade de rolagem sobre o eixo x.

q – Velocidade de arfagem sobre o eixo y.

r – Velocidade de guinada sobre o eixo z.

15

3.1.2 SISTEMA DE COORDENADAS REFERENCIADO A TERRA

Atitude e trajetória do veículo através de um curso de manobra definido em relação ao

sistema de coordenadas ortogonal da mão direita referenciado à Terra, onde as coordenadas

são:

X – Deslocamento para frente.

Y – Deslocamento para a direita.

Z – Deslocamento vertical (Positivo para baixo).

Ψ – Ângulo de ataque (ângulo entre x e X no plano do terreno).

ν – Ângulo de curso (ângulo entre o vetor velocidade do veículo e o eixo X ).

β – Ângulo de derrapagem (ângulo entre o eixo x e o vetor velocidade do veículo).

Figura 3 – Veículo num Sistema de Coordenadas Referenciado a Terra

Fonte: adaptado de Gillespie (1992).

Segundo Caldas (2008 apud Robert, 1986, p. 26), as características dos veículos

terrestres são definidas de acordo com os termos abaixo, sendo que cada um está relacionado

a uma das dinâmicas ao longo dos eixos de referência:

Desempenho: capacidade do veículo de acelerar e desacelerar, sendo relacionado com

a dinâmica longitudinal (eixo x);

Dirigibilidade: é a resposta do veículo aos comandos aplicados pelo condutor no

volante e a sua estabilidade em relação às excitações externas, sendo relacionada com

a dinâmica lateral (eixo y);

Conforto: são as respostas do veículo às vibrações provocadas pelo terreno sobre o

qual trafega, sendo relacionada com a dinâmica vertical (eixo z).

16

3.2 CONVERSÃO DIGITAL - ANALÓGICO (D/A)

Diversas são as formas de se converter um sinal digital em analógico e segundo

ehobbycorner (n.d.) a rede R/2R é a mais simples e popular delas. Desta forma esta será

utilizada neste estudo, a mesma terá uma resolução de 10 bits, taxa de atualização de 1 Hz e

faixa de 0 a 3,3V (0 a 200 Km/h). Na Figura 4 a seguir é mostrada uma rede R/2R de 10 bits.

Figura 4: Rede R/2R

Fonte: adaptado de ehobbycorner (n.d.).

O funcionamento destas redes é bem simples, cada entrada digital “enxerga” a rede

como um divisor de tensão, entregando seu peso binário à saída. Se o dígito mais significativo

(MSB) está em nível alto, metade da tensão aplicada a esta entrada pode ser medida na saída.

O próximo dígito irá colocar na saída um quarto de sua tensão e assim sucessivamente. E a

Equação (1) a seguir apresenta como é determinada a tensão da saída analógica.

(

) (1)

Sendo Dx o dado binário (0 ou 1) do pino x e VLOGIC é a tensão lógica de nível alto

aplicada às entrada. Para este trabalho a tensão lógica de nível alto será de 3,3V.

3.3 ACELERÔMETRO

Acelerômetros são dispositivos que medem aceleração. Neste trabalho são medidas as

acelerações longitudinal, lateral e vertical do veículo por meio do acelerômetro MMA7361L.

17

Figura 5: Acelerômetro MMA7361

Fonte: Sparkfun (n.d.).

O MMA7361L é um acelerômetro de 3 eixos de baixo consumo, opera com uma

tensão de alimentação de 3,3V, possui sistema de condicionamento de sinal utilizando filtros

passa baixas, sistema para seleção de faixa (±1,5G ou ±6G) e é usualmente utilizado para

detecção de queda livre e como sensor de movimento. Para este trabalho será utilizado a faixa

de ±1.5G e a sensibilidade de 800 mV/G.

3.4 GIRÔMETRO

O girômetro é um dispositivo que mede velocidades angulares e permite determinar a

atitude do veículo em relação a sua trajetória. Neste trabalho são medidas as velocidades

angulares nos eixos de guinada, rolagem e arfagem do veículo por meio de dois girômetros de

dois eixos, LPY550AL e LPR550AL, os quais operam com uma tensão de alimentação de

3,3V.

Figura 6: Girômetros LPY550AL e LPR550AL

Fonte: Pololu (n.d.).

Os girômetros utilizados possuem uma faixa de medição configurável (±500°/s e

±2000°/s), sendo utilizados neste trabalho a faixa de ±500°/s e a sensibilidade de 2mV/°/s.

18

3.5 SISTEMA DE POSICIONAMENTO GLOBAL (GPS)

O Global Positioning System (GPS), ou em português Sistema de Posicionamento

Global é um sistema de navegação por satélite formado por uma “constelação” de 24 satélites

bem espaçados que orbitam a Terra e permitem que um receptor móvel localize com precisão

sua localização geográfica desde que se encontre no campo de visão de no mínimo quatro

satélites (searchmobilecomputing, n.d.).

O desenvolvimento do sistema americano foi iniciado em 1973 pelo

Departamento de Defesa dos Estados Unidos da América para que pudesse superar as

limitações dos sistemas de navegação existentes (Bernardi & Landim, 2002).

3.5.1 PROTOCOLO NMEA 0183

Os aparelhos e chips GPS no mercado utilizam o protocolo NMEA 0183, que é um

conjunto de especificações de dados e elétricas para comunicação de dispositivos eletrônicos

de navegação. Os dados são enviados pela porta serial na forma de caracteres ASCII, as

sentenças se iniciam pelo caractere “$” e terminam com <CR><LF> (NMEA, 2001).

Neste trabalho a sentença a ser utilizada será a identificada por RMC (Recommended

Minimum Navigation Information, ou em português Informação Mínima Recomendada para

Navegação), que segue o seguinte formato.

Tabela 2: Formato da Sentença Utilizada

1 Hora (UTC) 7 Velocidade acima do solo em milhas

náuticas

2 Status - “A” = informação válida e “V” =

informação inválida 8 Heading (Direção)

3 Latitude 9 Data – DDMMAAA

4 N ou S, para Norte ou Sul 10 Variação magnética em graus

5 Longitude 11 Letra que denota a direção da variação

magnética, E ou W, para Leste ou Oeste

6 E ou W, para Leste ou Oeste 12 Checksum (Verificação)

Fonte: The NMEA 0183 Protocol (2001).

19

3.5.2 RECEPTOR GPS FASTRAX UP501

O receptor GPS UP501 da Fastrax possui uma antena integrada o que possibilita uma

navegação de alto desempenho nas aplicações mais exigentes mesmo em ambientes de baixa

visibilidade de satélites. Possui 66 canais de aquisição e 22 de rastreamento, uma taxa de

atualização configurável de até 10 Hz. A comunicação com este é módulo é feita de forma

serial (8 bits, sem paridade, 1 bit de parada), por meio do protocolo NMEA 0183 (Fastraxgps,

n.d.).

O receptor utilizado opera com uma tensão de alimentação de 3,3V e será utilizado

com uma taxa de transmissão de dados de 9600bps e taxa de atualização de 1 Hz.

3.6 COMUNICAÇÃO SPI (SERIAL PERIPHERAL INTERFACE BUS)

A comunicação SPI é um protocolo síncrono desenvolvido pela Motorola, que opera

no modo full duplex e é composto por 4 canais. Os dispositivos se comunicam num modo

mestre/escravo onde o mestre inicia a comunicação (Wikipedia - Serial Peripheral Interface

Bus, n.d.).

A Figura 7 abaixo mostra a disposição de um barramento SPI típico, formado por um

mestre e três escravos independentes.

Figura 7: Barramento SPI Típico (1 Mestre e 3 Escravos Independentes)

Fonte: Wikipedia - Serial Peripheral Interface Bus, (n.d.).

20

3.7 CARTÕES DE MEMÓRIA

Segundo Ibrahim (2010) um cartão de memória flash é um dispositivo de

armazenamento de dados e foi inicialmente desenvolvido pela Toshiba na década de 80 e

estes guardam os dados mesmo depois que a fonte de energia é desconectada. Isto é a chave

para as aplicações que utilizam cartões de memória flash, como por exemplo, telefones

celulares, câmeras digitais e MP3 Players. Diversos são os tipos me memória flash, como por

exemplo: Cartão Smart Media (SM), Cartão Multimedia (MMC), Cartão Compact Flash

(CF), Cartão Memory Stick (MS), Microdrive, Cartão xD e Cartão Secure Digital (SD).

3.7.1 CARTÃO SD (Secure Digital Card)

Este é o mais amplamente utilizado nos dias de hoje, e foi inicialmente desenvolvido

pela Matsushita, Sandisk e Toshiba em 2000. Os cartões SD comuns estão disponíveis com

capacidades que vão de 4MB a 4GB, um novo tipo de cartão SD chamado de cartão SD de

alta capacidade (SDHC) foi desenvolvido com capacidades de até 32GB. Por fim uma nova

especificação chamada de “eXtended Capacity” (SDXC) permite que as capacidades cheguem

a 2 TB. A taxa de transferência de dados é de aproximadamente 15-20 MB/s e os cartões SD

normais operam com tensões entre 2,7 e 3,6V (Ibrahim, 2010).

Apresentam-se em diferentes tamanhos e são classificados em: SD normal, miniSD e

microSD, como pode ser observado na Figura 8 abaixo.

Figura 8: Cartões SD

Fonte: Ibrahim (2010)

21

3.7.2 ESTRUTURA DETALHADA

Os cartões SD normais possuem 9 pinos e uma chave de proteção contra escrita

indesejada. Estes podem operar de dois modos: o modo barramento SD (SD Bus Mode) e o

modo barramento SPI (SPI Bus Mode), sendo que o modo barramento SD é modo nativo

deste cartão, onde todos os pinos são utilizados; os dados são transferidos utilizando quatro

pinos (D0-D3), um pino de clock e uma linha de comando (Ibrahim, 2010).

Mas o modo mais amplamente utilizado é o modo barramento SPI (SPI Bus Mode),

que permite que os dados sejam transferidos em duas linhas (D0 e DI) no formato serial

usando um pino de seleção de chip (CS) e uma linha de clock (CLK). Este modo é mais fácil

de se utilizar, mas tem desempenho reduzido em relação ao modo barramento SD (SD Bus

Mode) (Ibrahim, 2010).

3.8 SISTEMA DE ARQUIVOS

Um sistema de arquivos é uma estrutura que determina como os arquivos serão

guardados, acessados, copiados, alterados e até apagados. Este então faz se necessário para

qualquer manipulação de dados em um dispositivo de armazenamento (Alecrim, 2011).

FAT é o acrônimo de “File Allocation Table”, ou em português, Tabela de Alocação

de Arquivos, sua primeira versão surgiu em 1977 onde operava com o sistema operacional

MS-DOS e seguiu sendo utilizado até o Windows 95. Nada mais é do que uma espécie de

tabela que indica onde estão os dados de cada arquivo, pois o espaço destinado ao

armazenamento dos dados nos dispositivos de armazenamento é dividido em blocos (clusters)

e os arquivos podem ocupar mais de um bloco e não necessariamente os blocos são

sequenciais, desta forma, faz se necessária esta tabela que os organiza (Alecrim, 2011).

Com o desenvolvimento dos dispositivos de armazenamento, os quais tiveram suas

capacidades de armazenamento aumentadas este se tornou ineficaz, pois o mesmo só possuía

12 bits de endereçamento, ou seja, 212

= 4096 setores com tamanho máximo de 4 KB,

resultando numa capacidade máxima de 16MB, o que é quase nada para os dias de hoje. Foi

então desenvolvido o FAT16, sistema de arquivos que será utilizado neste estudo, o qual

ainda é amplamente utilizado apesar de ter sido substituído pela Microsoft em 1996 com o

lançamento do FAT32. O FAT16 possui 216

= 65536 setores com tamanho máximo de 32KB,

ou seja, 2GB, o que é suficiente para o estudo em questão (Alecrim, 2011).

22

3.9 MICROCONTROLADOR

Em poucas palavras, poderíamos definir o microcontrolador como um “pequeno”

componente eletrônico, dotado de uma “inteligência” programável, utilizado no controle de

processos lógicos (Souza, 2001).

Os microcontroladores PIC são fabricados pela Microchip e estes têm núcleos de

processamento de 12, 14 e 16 bits. Vários são os modelos disponíveis e estes contam com

uma enorme diversidade de periféricos internos. Apresentam uma arquitetura Harvard, onde a

memória de dados está separada da memória de programa. Assim, é possível um acesso

concorrente às duas memórias e assim, obter uma maior velocidade de funcionamento. São

dispositivos RISC (Reduced Instruction Set Computer) onde as instruções levam

aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas (Wikipedia -

Microcontrolador PIC, n.d.).

Estes microcontroladores podem ser programados em diversas linguagens, como

Assembly, Basic, e C, sendo esta última, a linguagem utilizada neste trabalho. Dois foram os

compiladores utilizados para a programação destes microcontroladores, PCWHD v1.114 PIC

C Compiler da CCS e o Mikro C PRO for PIC v4.60.0.0 da Mikroeletronica.

O microcontroladores escolhidos para este estudo foram o PIC18LF4620 e o

PIC18LF452 da Microchip, e estes foram escolhidos devido ao seu baixo custo, elevada

memória, além do grande número de periféricos internos disponíveis.

3.10 GRAVADOR DE PIC

Para a gravação dos microcontroladores foi utilizado o gravador serial Multi PIC

Programmer 5 Versão 2, que foi projetado por Feng3 e baseado nos programadores JDM.

Este é capaz de programar uma grande diversidade de modelos de forma simples e rápida com

uso de um software, neste estudo o software utilizado nas gravações foi o PICPgm

Development Programmer 1.5.8.0. O gravador já havia sido anteriormente construído por

mim em placa de circuito impresso e na Figura 9 a seguir pode se observar uma fotografia do

mesmo.

23

Figura 9: Gravador Multi PIC Programmer 5 Versão 2

Fonte: Própria (2012).

3.11 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA

O desenvolvimento do sistema foi dividido em três etapas: desenvolvimento do

software, simulação e confecção do hardware.

3.11.1 SOFTWARE

A implementação dos algoritmos de cada um dos microcontroladores foi realizada em

softwares distintos. O algoritmo do microcontrolador responsável pela aquisição dos dados

dos sensores foi implementado no PCWHD v1.114 PIC C Compiler da CCS enquanto o

algoritmo do microcontrolador responsável pela gravação dos dados foi implementado no

Mikro C PRO for PIC v4.60.0.0 da Mikroeletronica.

A decisão de implementar os sistemas em compiladores distintos, se deve ao fato de o

autor ter uma maior familiaridade com o software PIC C Compiler, onde o mesmo iniciou o

desenvolvimento deste trabalho. Mas como uma grande dificuldade de implementação da

estrutura de gravação de dados utilizando o sistema de arquivos FAT e este software foi

percebida, decidiu-se pela a implementação do sistema de gravação de dados no Mikro C

PRO for PIC v4.60.0.0 da Mikroeletronica, no qual foi possível obter uma maior quantidade

de informações sobre como implementar o sistema de arquivos FAT e rapidamente a situação

foi resolvida.

Nas Figuras 10 e 11 a seguir são apresentados fluxogramas simplificados dos

algoritmos implementados nos dois microcontroladores utilizados para um melhor

entendimento dos mesmos.

24

Figura 10: Fluxograma simplificado do algoritmo do sistema de aquisição de dados


25

Figura 11: Fluxograma simplificado do algoritmo do sistema de gravação de dados


Nos anexos I, II são apresentados os algoritmos do sistema de aquisição de dados e do

sistema de gravação de dados respectivamente.

3.11.2 SIMULAÇÃO

Com o intuito de testar e aperfeiçoar o código desenvolvido, foi utilizada a interface

de simulação ISIS do software Proteus 7 Professional da Labcenter Electrocnics, como pode-

se observar na Figura 12 a seguir.

26

Figura 12: Simulação do sistema


Devido a limitações do software de simulação, já que o mesmo não conta com

modelos de acelerômetros, girômetros e receptores GPS disponíveis, soluções criativas

tiveram que ser adotadas para contornar estes inconvenientes.

Como o acelerômetro e girômetro, ambos de 3 eixos, possuem saídas analógicas,

foram adicionados nos lugares destes divisores resistivos de tensão por meio de 6

potenciômetros e suas saídas de tensão foram conectadas às entradas de tensão analógicas do

microcontrolador PIC responsável pela aquisição de dados.

No caso do receptor GPS, que possui uma saída serial de dados, um microcontrolador

PIC foi programado para simulá-lo, enviando continuamente “palavras” que obedecem ao

padrão determinado pelo protocolo NMEA 0183, como é feito pelo receptor GPS.

Para que a gravação dos dados pudesse ser simulada, por meio do software WinImage

8.50 da Gilles Vollant um arquivo que cria a “imagem” de um cartão com um sistema de

GN

D

GN

D

VDD

GND

GN

D

GN

D

VDD

GND

Y ZX

TX_RX

RX_TX

X

Y

RX_TX

VDD

GND

GN

D

B9

B10

B8

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

B8

B7

B6

B5

B4

B3

B2

B1

GN

D GN

D

VDD

TX_RX

Z

B9

B10

roll

pitch

yaw

VDD

GND

roll pitch yaw

GN

D

GND

VDD

GN

D

GN

D

X1

CRYSTAL

C122pF

C222pF

R1

1k

X2

CRYSTAL

C322pF

C422pF

10%

RV1

1k

20%

RV2

1k

30%

RV3

1k

RA0/AN0/C1IN-2

RA1/AN1/C2IN-3

RA2/AN2/C2IN+/VREF-/CVREF4

RA3/AN3/C1IN+/VREF+5

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT7

RA6/OSC2/CLKO14

RA7/OSC1/CLKI13

RB0/AN12/FLT0/INT033

RB1/AN10/INT134

RB2/AN8/INT235

RB3/AN9/CCP2A36

RB4/KBI0/AN1137

RB5/KBI1/PGM38

RB6/KBI2/PGC39

RB7/KBI3/PGD40

RC0/T1OSO/T13CKI15

RC1/T1OSI/CCP2B16

RC2/CCP1/P1A17

RC3/SCK/SCL18

RC4/SDI/SDA23

RC5/SDO24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT26

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RD2/PSP221

RD3/PSP322

RD4/PSP427

RD5/PSP5/P1B28

RD6/PSP6/P1C29

RD7/PSP7/P1D30

RE0/RD/AN58

RE1/WR/AN69

RE2/CS/AN710

RE3/MCLR/VPP1

U1

PIC18F4620

RA0/AN0/C1IN-2

RA1/AN1/C2IN-3

RA2/AN2/C2IN+/VREF-/CVREF4

RA3/AN3/C1IN+/VREF+5

RA4/T0CKI/C1OUT6

RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT7

RA6/OSC2/CLKO14

RA7/OSC1/CLKI13

RB0/AN12/FLT0/INT033

RB1/AN10/INT134

RB2/AN8/INT235

RB3/AN9/CCP2A36

RB4/KBI0/AN1137

RB5/KBI1/PGM38

RB6/KBI2/PGC39

RB7/KBI3/PGD40

RC0/T1OSO/T13CKI15

RC1/T1OSI/CCP2B16

RC2/CCP1/P1A17

RC3/SCK/SCL18

RC4/SDI/SDA23

RC5/SDO24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT26

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RD2/PSP221

RD3/PSP322

RD4/PSP427

RD5/PSP5/P1B28

RD6/PSP6/P1C29

RD7/PSP7/P1D30

RE0/RD/AN58

RE1/WR/AN69

RE2/CS/AN710

RE3/MCLR/VPP1

U2

PIC18F4620

R12

1k

R2

10k2

R310k2

R45k6

R55k6

R65k6

R75k6

R85k6

R95k6

R105k6

R115k6

R13

10k2

R14

10k2

R15

10k2

R16

10k2

R17

10k2

R18

10k2

R19

10k2

R20

10k2

R21

10k2

R225k6

VOUT

MCLR/VPP1

RA0/AN02

RA1/AN13

RA2/AN2/VREF-4

RA3/AN3/VREF+5

RA4/T0CKI6

RA5/AN4/SS/LVDIN7

RE0/RD/AN58

RE1/WR/AN69

RE2/CS/AN710

OSC1/CLKI13

RA6/OSC2/CLKO14

RC0/T1OSO/T1CKI15

RC2/CCP117

RC3/SCK/SCL18

RD0/PSP019

RD1/PSP120

RD2/PSP221

RD3/PSP322

RD4/PSP427

RD5/PSP528

RD6/PSP629

RD7/PSP730

RC4/SDI/SDA23

RC5/SDO24

RC6/TX/CK25

RC7/RX/DT26

RB0/INT033

RB1/INT134

RB2/INT235

RB3/CCP2B36

RB437

RB5/PGM38

RB6/PGC39

RB7/PGD40

RC1/T1OSI/CCP2A16

U4

PIC18F452

C522pF

C622pF

X3

CRYSTAL

R26

1k

MultimediaCard

CS

DI

DO

CL

K

M1MMC

40%

RV4

1k

50%

RV5

1k

60%

RV6

1k

R23180

D1LED-RED

R24

82

D2LED-RED

R25180

D3LED-RED

ACELERÔMETRO

GIRÔMETRO

SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE SINAIS

SISTEMA GRAVAÇÃO DE DADOS

GPS

CONVERSOR D/A

27

arquivos FAT foi criado e sua localização foi configurada no modelo de cartão da interface de

simulação ISIS do software Proteus 7 Professional.

Desta forma, foi possível uma simulação total do sistema, o que permitiu uma menor

necessidade de modificações e ajustes na etapa de síntese do mesmo.

3.11.3 HARDWARE

Após o término das simulações, o próximo passo tomado foi a síntese do sistema.

Inicialmente o mesmo foi montado em matriz de contatos (protoboard) para que todos os

ajustes necessários fossem feitos, para posteriormente partir para a confecção de uma versão

definitiva em placa de circuito impresso (PCI). Para a confecção das PCI´s foi utilizada a

interface de criação de PCI´s ARES do software Proteus 7 Professional da Labcenter

Electrocnics.

Nas Figuras 13, 14 e 15 são mostradas as imagens das PCI´s da fonte de alimentação

dos sistemas de aquisição e gravação de dados, sistema de aquisição de dados e sistema de

gravação de dados respectivamente, roteadas pelo software ARES.

Figura 13: PCI da fonte de alimentação dos sistemas de aquisição e gravação de dados


Figura 14: PCI do sistema de aquisição de dados


28

Figura 15: PCI do sistema de gravação de dados


Após o roteamento das PCI´s, feitas utilizando o software ARES, as mesmas foram

confeccionadas como pode se observar nas Figuras 16, 17 e 18 mostradas a seguir.

Figura 16: Fonte de alimentação dos sistemas de aquisição e gravação de dados


Figura 17: Sistema de aquisição de dados


29

Figura 18: Sistema de gravação de dados


Nos anexos III, IV são apresentados os esquemáticos da fonte e do sistema de

aquisição de dados e do sistema de gravação de dados respectivamente.

30

4. RESULTADOS

Após o desenvolvimento do sistema de aquisição de dados, foi feito um trajeto com o

mesmo embarcado em um veículo.

Foi feita também uma aquisição de dados com o sistema em repouso e com os eixos

coordenados adequadamente posicionados, a partir desta foi calculada a tendência dos dados e

a correção que deveria ser aplicada nos dados que posteriormente fossem obtidos com este

sistema. Tal correção foi aplicada nos dados a seguir e os mesmos podem ser observados nas

figuras a seguir.

Figura 19: Trajeto percorrido traçado no Google Earth


Neste trajeto mostrado na Figura 19 foi percorrida uma distância total de 3,26 Km,

tendo sido este iniciado na Avenida Leite de Castro, 774 e finalizado na Rua Tomé Portes del-

Rei na altura do posto de gasolina Santa Cruz, na cidade de São João del-Rei – MG.

Na Figura 20 mostrada a seguir é apresentada a velocidade desenvolvida pelo veículo

no qual o sistema estava embarcado durante o trajeto descrito anteriormente. Como é usual

em percursos urbanos, a velocidade é bastante irregular e marcada por diversas frenagens e

acelerações.

31

Figura 20: Velocidade desenvolvida pelo veículo


Na Figura 21 mostrada a seguir é apresentada a velocidade de giro no eixo Roll, ou

seja apresenta o movimento de rolagem do veículo durante o trajeto percorrido. A máxima

velocidade de giro obtida neste eixo foi de 29,14°/s e a mínima de -24,02°/s.

Figura 21: Velocidade de giro - Eixo Roll


-5,0000

5,0000

15,0000

25,0000

35,0000

45,0000

55,0000

65,0000

75,0000

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Vel

oci

da

de

(Km

/h)

Tempo (s)

Velocidade Desenvolvida

-25

-15

-5

5

15

25

35

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Vel

oci

da

de

de

Gir

o (

°/s)

Tempo (s)

Velocidade de Giro - Eixo Roll (Rolagem)

32

Na Figura 22 mostrada a seguir é apresentada a velocidade de giro no eixo Pitch, ou

seja apresenta o movimento de arfagem do veículo durante o trajeto percorrido. A máxima


Figura 22: Velocidade de giro - Eixo Pitch


Na Figura 23 mostrada a seguir é apresentada a velocidade de giro no eixo Yaw, ou

seja apresenta o movimento de guinada do veículo durante o trajeto percorrido. A máxima


Figura 23: Velocidade de giro - Eixo Yaw


-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Vel

oci

da

de

de

Gir

o (

°/s)

Tempo (s)

Velocidade de Giro - Eixo Pitch (Arfagem)

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Vel

oci

da

de

de

Gir

o (

°/s)

Tempo (s)

Velocidade de Giro - Eixo Yaw (Guinada)

33

Na Figura 24 mostrada a seguir é apresentada a aceleração do veículo no eixo x, que

como dito anteriormente mostra a característica de desempenho do veículo, que é a

capacidade do mesmo de acelerar e desacelerar e é relacionado à dinâmica longitudinal do

veículo. A máxima aceleração obtida neste eixo foi de 0,56 G e a mínima de -0,37 G.

Figura 24: Aceleração – Eixo X


Na Figura 25 mostrada a seguir é apresentada a aceleração do veículo no eixo y, que

como dito anteriormente mostra a característica de dirigibilidade do veículo, que é a resposta

do veículo aos comandos aplicados pelo condutor no volante e a sua estabilidade em relação

às excitações externas, sendo relacionada com a dinâmica lateral do veículo. A máxima

aceleração obtida neste eixo foi de 0,43 G e a mínima de -0,51 G.

Figura 25 Aceleração – Eixo Y


-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Ace

lera

ção

(G

)

Tempo (s)

Aceleração - Eixo X

-0,7

-0,5

-0,3

-0,1

0,1

0,3

0,5

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Ace

lera

ção

(G

)

Tempo (s)

Aceleração - Eixo Y

34

Na Figura 26 mostrada a seguir é apresentada a aceleração do veículo no eixo z, que

como dito anteriormente mostra a característica de conforto do veículo, que são as respostas

do veículo às vibrações provocadas pelo terreno sobre o qual trafega, sendo relacionada com a

dinâmica vertical do veículo. A máxima aceleração obtida neste eixo foi de 1,77 G e a

mínima de 0,39 G.

Figura 26 Aceleração – Eixo Z


Apesar de o sistema de aquisição de dados desenvolvido não possuir um altímetro

integrado, pôde-se traçar um perfil de elevação do trajeto percorrido por meio das

coordenadas geográficas obtidas pelo receptor GPS, do banco de dados SRTM 3 da NASA e

do site www.gpsvizualizer.com. O SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), ou em

português Missão Topográfica Radar Shuttle é um esforço internacional de pesquisa para

obter modelos digitais do terreno da zona da Terra entre 56 °S e 60 °N para gerar uma base

completa de cartas topográficas digitais terrestres de alta resolução. Para coordenadas

geográficas dentro do território norte americano conta-se com uma resolução de 30m e uma

resolução de 90m para coordenadas geográficas fora do território norte americano.

Na Figura 27 mostrada a seguir é apresentado o perfil de elevação do trajeto

percorrido com o sistema desenvolvido, sendo a altitude de 915,50m a máxima altitude obtida

e a altitude de 888,20m a mínima altitude obtida durante tal percurso.

0,4

0,55

0,7

0,85

1

1,15

1,3

1,45

1,6

1,75

1,9

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Ace

lera

ção

(G

)

Tempo (s)

Aceleração - Eixo Z

35

Figura 27: Perfil de elevação do trajeto percorrido


885,00

890,00

895,00

900,00

905,00

910,00

915,00

920,00

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 520

Alt

itu

de

(m)

Tempo (s)

Perfil de Elevação

36

5. CONCLUSÃO

Ao fim do trabalho, ao analisar os resultados obtidos pode-se considerar que os

resultados obtidos são satisfatórios. Como planejado no início deste estudo, foi possível por

meio do sistema desenvolvido, realizar a aquisição e o armazenamento de sinais de um

receptor GPS, um acelerômetro e um girômetro de três eixos, além de uma saída analógica de

10 bits cuja tensão de saída é proporcional à velocidade desenvolvida pelo veículo no qual o

sistema estiver embarcado. Além disto, pôde-se traçar um perfil de elevação do trajeto

percorrido por meio de das coordenadas geográficas obtidas pelo receptor GPS, do banco de

dados SRTM 3 da NASA e do site www.gpsvizualizer.com.

Espera-se que este sistema possa de alguma forma contribuir para a comunidade

científica no desenvolvimento de veículos elétricos.

É importante salientar que o sistema pode e precisa de aprimoramentos para que possa

contribuir de forma mais significativa. Alguns melhoramentos sugeridos são:

Inclusão de um altímetro integrado, pois desta forma uma melhor precisão no perfil de

elevação poderá ser obtido.

A desvinculação da leitura dos canais analógicos e atualização da saída analógica da

interrupção serial, ou seja, a criação de uma interrupção serial para a aquisição dos

dados do receptor GPS e interrupções de tempo para a leitura dos canais analógicos e

atualização da saída analógica. Desta forma, o sistema poderia realizar a aquisição dos

sinais analógicos e a atualização da saída analógica em frequência superiores a

frequência de atualização do receptor GPS.

Filtragem de ruídos dos dados para uma melhor visualização dos mesmos e para que

estes se tornem mais significativos.

Por fim, é importante evidenciar a experiência e o aprendizado adquiridos pelo autor

durante a realização deste trabalho.

37

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Wikipedia - Microcontrolador PIC. (n.d.). Acesso em 06 de Abril de 2012, disponível em

Wikipedia: http://pt.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador_PIC

Wikipedia - Serial Peripheral Interface Bus. (n.d.). Acesso em 06 de 04 de 2012, disponível

em Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Serial_Peripheral_Interface_Bus

NMEA. (Agosto de 2001). The NMEA 0183 Protocol. Acesso em Janeiro de 2012, disponível

em Instytut Informatyki - Politechnika Poznanska:

http://www.cs.put.poznan.pl/wswitala/download/pdf/NMEAdescription.pdf

39

Norma, N.H.; Saad, Z.; Isa, I.S; Ishak, S. (2011). Software Design and Development for

Automotive Online Monitoring System, 489 - 494 . IEEE 7th International Colloquium

on Signal Processing and its Applications.

Pereira, F. (2009). Microcontroladores PIC Programação em C. São Paulo: Érica.

Pololu. (n.d.). Acesso em 2012 de 05 de 20, disponível em Pololu:

http://www.pololu.com/catalog/product/1270

Queiroz, J. d. (2006). Tese Mestrado. Introdução do veículo híbrido no Brasil: Evolução

tecnológica aliada à qualidade de vida. São Paulo: Escola Politécnica da

Universidade de São Paulo.

Sakhi, S.; Khettat, A.; Hanks, M.; Belhocine, M.; Elouardi, A.; Bouaziz, S. (2009). An

Embedded Data Logger Based Vehicle Trajectory Monitoring System. IEEE.

Sallehuddin, W. M. (Novembro de 2008). Trabalho de Conclusão de Curso. Smart Vehicle

Data Logger Using Global Positioning System and Global System for Mobile

Communication. Faculty of Electrical and Electronics Engineering - Universiti

Malaysia Pahang.

Semiconductor, F. (Abril de 2008). Technical Data. ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g

Micromachined Accelerometer.

Souza, D. J. (2001). Desbravando o PIC. Érica.

Sparkfun. (n.d.). Acesso em 2012 de 04 de 06, disponível em Sparkfun:

http://www.sparkfun.com/products/9652

STMicroelectronics. (Julho de 2009). DATASHEET LPR550AL. MEMS motion sensor: dual

axis pitch and roll ±500°/s analog gyroscope.

STMicroelectronics. (Julho de 2009). DATASHEET LPY550AL. MEMS motion sensor: dual

axis pitch and yaw ±500°/s analog output gyroscope.

40

ANEXO I

/**************************************************************

Sistema de Aquisição de Dados

===============

O algoritmo realiza a aquisição de dados de 6 canais analógicos,

recebe dados por meio da porta serial, trata estas informações e

as envia pela porta serial para que sejam gravadas pelo Sistema

de Gravação de Dados

Aluno: Caio Eduardo Silva

Orientador: Leonardo Adolpho Rodrigues da Silva

Dezembro de 2012

**************************************************************/

//Configurações Iniciais

#include <18F4620.h>

#device adc=10

#FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer

#FUSES XT

#FUSES NOPUT //No Power Up Timer

#FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading

#FUSES NODEBUG //No Debug mode for ICD

#FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset

#FUSES NOLVP //No low voltage prgming, B3(PIC16) or B5(PIC18) used for I/O

#FUSES NOCPD //No EE protection

#FUSES NOWRT //Program memory not write protected

#use delay(clock=4000000)

#use rs232(baud=9600, xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,errors)

#include <input.c>

#INCLUDE <stdlib.h>

// Variáveis utilizadas

int i,j,k,nvirg,vel_out;

int16 aux1;

int16 aux2;

char str[65];

char str2[6];

char aux;

float vel,x,y,z,roll,pitch,yaw;

char str_gps[80]="$GPRMC,";

char str_x[10];

char str_y[10];

char str_z[10];

char str_roll[10];

char str_pitch[10];

char str_yaw[10];

int length;

float K1=(3.3/0.8)/1023;

float K2=(500*3.3)/1023;

//Função que atualiza a saída analógica de velocidade

41

void saida_analogica_velocidade(void)

{

if(vel>200)

{vel_out=1023;

output_D(vel_out);

output_bit( PIN_B6, 1);

output_bit( PIN_B7, 1);}

else

{aux1=(int16)(5.115*vel);

aux2 = aux1>>8;

output_D(aux1);

if(aux2==0)

{output_bit( PIN_B6, 0);


if(aux2==1)



if(aux2==2)



if(aux2==3)



}

}

//Função que obtém os dados do acelerômetro e girômetro

void obter_dados_analogicos(void)

{

SET_ADC_CHANNEL(0);

delay_us(500);

x = READ_ADC();

SET_ADC_CHANNEL(1);

delay_us(500);

y = READ_ADC();

SET_ADC_CHANNEL(4);

delay_us(500);

z = READ_ADC();

SET_ADC_CHANNEL(5);

delay_us(500);

roll = READ_ADC();

SET_ADC_CHANNEL(6);

delay_us(500);

pitch = READ_ADC();

SET_ADC_CHANNEL(7);

delay_us(500);

yaw = READ_ADC();

x=K1*x - 2.0625;

42

y=K1*y - 2.0625;

z=-(K1*z - 2.0625); //Sinal negativo para ficar de acordo com as coordenadas SAE

roll = K2*roll - 615;

pitch = -(K2*pitch - 615); //Sinal negativo para ficar de acordo com as coordenadas SAE

yaw = -(K2*yaw - 615); //Sinal negativo para ficar de acordo com as coordenadas SAE

}

//Função que separa o valor da velocidade desenvolvida a partir da "palavra" do GPS

void separar_dados_gps(void)

{

j=0;

k=0;

nvirg=0;

aux='a';

while(aux!='\0' || j<=64)

{aux=str[j];

if(aux==',')

{nvirg++;}

if(nvirg==6)

{aux=str[j+1];

while(aux!=',')

{str2[k]=aux;

j++;

k++;

aux=str[j+1];}

}

j++;

}

str2[k]='\0';

vel = atof(str2)*1.852;

}

//Função que trata os dados e os envia pela porta serial

void trata_envia_dados(void)

{

strcat(str_gps,str);

sprintf(str_x,"%f",x);

sprintf(str_y,"%f",y);

sprintf(str_z,"%f",z);

sprintf(str_roll,"%f",roll);

sprintf(str_pitch,"%f",pitch);

sprintf(str_yaw,"%f",yaw);

printf("ACELERACAO");

printf("\t");

printf(str_x);

printf("\t");

printf(str_y);

printf("\t");

printf(str_z);

printf("\t");

43

printf("GIROMETRO");

printf("\t");

printf(str_roll);

printf("\t");

printf(str_pitch);

printf("\t");

printf(str_yaw);

printf("\t");

printf("DADOS DO GPS");

printf("\t");

printf(str_gps);

printf("\t");

printf(";");

length = strlen(str_gps);

for(i=7;i<=length;i++)

str_gps[i]='\0';

}

/*Função da interrupçao serial onde os dados do GPS são recebidos pela porta serial

e que contém todas as funções descritas acima

*/

#int_rda

void sensores(void)

{disable_interrupts(INT_RDA);

disable_interrupts(GLOBAL);

i=0;

if(kbhit()){

{aux=getc();}

if (aux=='$'){

{aux=getc();}

if (aux=='G'){

{aux=getc();}

if (aux=='P'){

{aux=getc();}

if (aux=='R'){

{aux=getc();}

if (aux=='M'){

{aux=getc();}

if (aux=='C'){

{aux=getc();}

if (aux==','){

{while(i<=65 && aux!='*')

{aux=getc();str[i]=aux;i++;}aux=getc();str[i]=aux;i++;aux=getc();str[i]=aux;i++;str[i]='\0';}

separar_dados_gps();

obter_dados_analogicos();

saida_analogica_velocidade();

trata_envia_dados();

output_toggle(PIN_B5);

44

}}}}}}}}

clear_interrupt(int_rda);

enable_interrupts(INT_RDA);

enable_interrupts(GLOBAL);

}

void main() //Loop infinito

{ enable_interrupts(int_rda);

enable_interrupts(GLOBAL);

setup_adc_ports(ALL_ANALOG|VREF_VREF);

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

while(true)

{

}}

45

ANEXO II

/**************************************************************

Sistema de Gravação de Dados

===============

Neste sistema um cartão SD é conectado a porta C como segue:

CS RC2

CLK RC3

DO RC4

DI RC5

O algoritmo abre um arquivo chamado CAIO.XLS no cartão SD e os

dados recebidos pela porta serial começam a ser escritos neste.

Aluno: Caio Eduardo Silva

Orientador: Leonardo Adolpho Rodrigues da Silva

Dezembro de 2012

**************************************************************/

char filename[] = "CAIO.XLS"; //Arquivo onde os dados são gravados

char dados[160]; //Variável que recebe os dados a serem gravados

// Pinos

sbit Mmc_Chip_Select at LATC2_bit;

sbit Mmc_Chip_Select_Direction at TRISC2_bit;

sbit led at LATB0_bit;

void main()

{

Uart1_Init(9600); //Inicia a comunição serial

Delay_ms(100); // Aguarda o modulo UART estabilizar

TRISB = 0x00; //Configura a porta B como saída

PORTB = 0x00; //Inicia a porta B em nível baixo

Spi1_Init_Advanced(_SPI_MASTER_OSC_DIV16,_SPI_DATA_SAMPLE_MIDDLE,_SPI

_CLK_IDLE_LOW, _SPI_LOW_2_HIGH); // Inicializa o barramento SPI

while(Mmc_Init()); // Inicializa o barramento do cartão SD

while(Mmc_Fat_Init()); // Inicializa o sistema de arquivos FAT

Mmc_Fat_Assign(&filename,0x80); // Cria o arquivo (se o mesmo não existir)

Mmc_Fat_Rewrite(); //Limpa o arquivo

while (1) { // Loop infinito

if (Uart1_Data_Ready()) { // Confere dados na porta serial

UART1_Read_Text(dados, ";", 160); //Recebe os dados

Mmc_Fat_Append(); //Vai para o fim do arquivo

Mmc_Fat_Write("\r\n",2); //Troca de linha

Mmc_Fat_Write(dados,sizeof(dados)); //Grava os dados no arquivo

Mmc_Fat_Write("- FIM -",sizeof("- FIM -")); //Escreve "- FIM -" no fim dos

dados recebidos

led = ~led; // Altera o estado do led

}

}

}

46

ANEXO III

47

ANEXO IV

Relatório tfc caio eduardo silva - implementação de um sistema de aquisição e armazenamento...

Education

Transcript of Relatório tfc caio eduardo silva - implementação de um sistema de aquisição e armazenamento...