Artigo Técnico Bengala Eletrônica

segunda-feira, 26 de dezembro de 2011


Objetivo

O projeto de sistema de orientação para deficientes visuais foi concebido baseado em sensores óticos para detecção de cores, sensores para detecção de obstáculos e circuitos de orientação auditiva, que através de sinais de freqüências distintas, permita que o usuário consiga reconhecer e distinguir as diferentes funções pré-estabelecidas no projeto.
Este projeto é composto por um microcontrolador central, que é o cérebro do projeto e seus periféricos, que são os sensores que por sua vez recebem e enviam informações ao microcontrolador central que os interpreta e analisa os dados de acordo com o programa residente, retornando ao usuário, através da orientação auditiva, a informação processada, conforme o que foi analisado.



Metodologia

Nesta etapa serão explicados os componentes aplicáveis ao projeto bem como seus conceitos fundamentais de operação que justificam sua utilização.
Dentre os principais componentes, destacamos os blocos funcionais a seguir:
Sensor de Ultrassom
Sensor Ótico
Microcontrolador
Circuitos Geradores de Sinais Audíveis

1.Sensor Ultrassom



Se posicionarmos um feixe de ultrassom dirigido a encontrar um obstáculo distante (alguns metros), as vibrações mecânicas do ar ao encontrar este obstáculo serão refletidas, caminhando em sentido contrario ao da emissão, indo atingir novamente o emissor. Um sistema especial poderá receber este sinal refletido chamado de eco.
Utilizamos um dispositivo sensor baseado em ultrassom e um microntrolador central para controlá-lo. O dispostivo sensor ultrassom envia sinais de freqüências não audíveis ao ouvido humano, afim de detectar a proximidade e/ou presença de um obstáculo. Ao se deparar com um obstáculo, ocorre o que chamamos de eco do sinal, ou seja, o sinal refletido no objeto que retornará ao dispositivo sensor.
Este sinal de eco será interpretado pelo microcontrolador central, que se encarregará de calcular a distância do usuário ao obstáculo.


2. Sensor Ótico

Objetivo: Identificação de Cores

A luz é composta por vários comprimentos de onda, na qual a faixa de 300 nm a 700 nm é perceptível ao olho humano.
Essa faixa visível abrange todas as cores, e estas são compostas por três cores primárias: vermelho (Red), verde (Green) e azul (Blue).
Quando uma luz atinge um objeto, cada componente de cor incidente (vermelho, verde e azul) é refletida ou absorvida, de acordo com a cor existente no objeto. Na Figura 2 está representada uma superfície vermelha onde as cores Verde e Azul incidentes são absorvidas e a cor Vermelha incidente é refletida. Por este motivo o ser humano percebe a cor predominante da superfície como vermelha.


O sensor ótico utilizado neste projeto utiliza-se do mesmo conceito, sendo que o mesmo funciona como um conversor de luz para freqüências. A sua saída gera uma onda quadrada com freqüência diretamente proporcional a intensidade da luz incidente (vide Figura 3).
As suas interfaces de entrada e saída permitem uma conexão direta com um microcontrolador ou circuito lógico apropriado.
O conversor de luz para freqüência incorporado ao sensor lê um conjunto de 8x8 fotodiodos. Estes 64 fotodiodos possuem filtros para identificar cada cor independentemente e estão assim dividos:
16 fotodiodos com filtro para cor Vermelho (Red)
16 fotodiodos com filtro para cor Verde (Green)
16 fotodiodos com filtro para cor Azul (Blue)
e 16 fotodiodos sem filtro.
Deste modo é possível determinar a intensidade de cada componente de cor (vermelho, verde, azul) refletida de um objeto através da filtragem disponível no sensor.




3. Microcontrolador

Objetivo: Processamento e Controle dos Dispositivos Periféricos

O microcontrolador utilizado é o BX-24 que possui 19 pinos de entrada/saída (I/O), sendo que destas interfaces 8 bits podem operar como conversor analógico para digital, além de também possuir uma interface serial para programação. A sua programação é feita através da linguagem derivada do Basic Stamp, podendo assim seu programa residente ser manipulado facilmente através de um computador comum com sistema operacional Windows 2000 ou XP e o Compilador/Editor BasicX.
Um diferencial deste microcontrolador é sua capacidade de processamento paralelo (multitasking) que permite que mais de uma tarefa possa ser executada simultaneamente. Além desse fator, também foi decisivo para essa escolha a possibilidade de realizar cálculos matemáticos com ponto flutuante, uma vez que para realizar as medições com precisão, precisaremos de tal recurso.
Este componente é responsável por todo o controle de acionamento dos dispositivos periféricos e pelo processamento das informações recebidas, como segue:
Sensor Ultrassom: aciona este dispositivo disparando o sinal de ultrassom (trigger), aguarda o sinal de eco refletido no obstáculo e determina a distância do anteparo através de cálculo realizado pelo processamento do programa residente;
Sensor Ótico: aciona este dispositivo, seleciona o filtro de cor a ser utilizado, recebe o valor medido, compara com tabela interna de referência de cores e determina a cor detectada;
Circuito Gerador de Sinais Audíveis: aciona este circuito quando é necessário informar ao usuário a saída de um processamento que estão definidas no equipamento e servem para identificar equipamento ligado, identificar a distância do objeto e identificar a cor de um objeto detectado.

4 Circuito Gerador de Sinais Audíveis

Objetivo: Emissão de Sinais Sonoros

Este circuito foi concebido a fim de emitir sinais sonoros que permitem ao usuário identificar a função selecionada e em execução. Foi projetado utilizando o circuito integrado LM556 que é formado internamente por dois circuitos timers baseados no LM555 e funcionará no modo astável para geração de freqüências pré-estabelecidas.
Serão utilizadas três freqüências distintas para emissão dos sinais sonoros escolhidos baseados em pesquisa e consulta realizada com deficientes visuais.

5. Circuito gravador e reprodutor de áudio

Objetivo: Emissão de Mensagens Gravadas de Voz.

A fim de complementar o funcionamento, inicialmente propusemos emitir sinais sonoros distintos baseado em freqüências pré-estabelecidas para distinguir as funções.
Todavia, devido o uso de 3 freqüências pesquisadas com os deficientes e potenciais usuários, ficamos limitados a identificar somente 3 cores primárias, o Vermelho (Red) , o Verde (Green) e o Azul (Blue).
Com esta possibilidade disponível era necessário um circuito capaz de emitir distintos sinais sonoros e por este motivo optamos por um circuito que fosse capaz de gravar sinais sonoros. O propósito era gravar mensagens com a narração de cores a fim de facilitar a identificação de cores para deficientes visuais que perderam a visão ou para aqueles que estudaram e frequentemente necessitam identificar cores de roupas por exemplo.
Assim implementamos o uso do circuito integrado ISD, capaz de gravar até 60 segundos de sinais sonoros. Com este componente, conseguimos gravar as mensagens sonoras identificando as possíveis cores, como vermelho, azul , verde, laranja, violeta, preto, branco, etc.

6. Bateria

Objetivo: Mobilidade e autonomia ao aparelho.

A fim de oferecer maior mobilidade ao usuário com grande autonomia e durabilidade, optamos por adotar uma bateria de Lithium-Polímero, que é uma tecnologia recente que oferece longa vida útil aliada ao seu pequeno tamanho físico e também ser ecologicamente correta sem agredir o meio-ambiente no momento do descarte.
As baterias de Li-Po possuem grandes capacidades de corrente, como de 700mAh, 1200mAh , chegando até 2400mAh.
Em nosso caso, optamos por baterias de 2400mAh por apresentar um bom custo benefício, aliado ao seu pequeno tamanho que garante portabilidade ao ser implementada no projeto.
No entanto essas baterias exigem carregadores específicos, pois se carregadas inadequadamente podem aquecer, deformar-se ou até mesmo causar incêndio. Estes carregadores específicos carregam rapidamente, em cerca de 2hs com carga total , ou com cerca de 1hora para carga de 90%.
Além disso essas baterias apresentam uma característica interessante de que na medida em que são utilizadas e descarregadas, a sua tensão é reduzida linearmente . Com este fato podemos aplicá-la em nosso projeto e fornecer tensão de 7.4V até o limiar de 6.5V. Isso por que abaixo de 6.5V a tensão fornecida pela bateria pode não conseguir ser regulada pelo integrado regulador de tensão e com isso o circuito pode parar de funcionar. A fim de evitar esse problema limitamos a operação no software do microcontrolador.
Com essa característica de reduzir a tensão na medida em que é utilizada a bateria facilita o processo de monitoração do nível de tensão da mesma pelo circuito de A/D incorporado no microcontrolador e que é explicado logo a seguir.

7. Detecção Nível de Carga da Bateria

Objetivo: Controle do uso do aparelho com bateria.

Com o objetivo de garantir a funcionalidade do circuito adequadamente e lembrando que o usuário é um deficiente físico, não seria possível usar nenhum indicador visual de fim de bateria.
Assim com o uso de programação do microcontrolador estabelecemos o limiar de operação do circuito como um todo. Quando o sinal na bateria atinge nível de 6.5V iniciamos o aviso sonoro ao usuário alertando o mesmo para que troque a bateria ou proceda com o carregamento da mesma.



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