CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO JEFFERSON SILVA SANTOS - PDF
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Diana Esteves Garrido
1 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO JEFFERSON SILVA SANTOS DETECTOR DE VAZAMENTO DE GÁS COM AVISO POR SMS Orientadora: Profª. M.C. Maria Marony de Sousa Farias BRASÍLIA 2º SEMESTRE DE 2012
2 II JEFFERSON SILVA SANTOS DETECTOR DE VAZAMENTO DE GÁS COM AVISO POR SMS Trabalho apresentado ao UniCEUB Centro Universitário de Brasília como pré-requisito para obtenção de Certificação de Conclusão do Curso de Engenharia de Computação. Orientadora: Profᵃ. M.C. Maria Marony Sousa Farias. BRASÍLIA 2º SEMESTRE DE 2012
3 III JEFFERSON SILVA SANTOS DETECTOR DE VAZAMENTO DE GÁS COM AVISO POR SMS Trabalho apresentado ao UniCEUB Centro Universitário de Brasília como pré-requisito para obtenção de Certificação de Conclusão do Curso de Engenharia de Computação. Orientadora: Profª. M.C. Maria Marony Sousa Farias. Este Trabalho foi julgado adequado para a obtenção do Título de Engenheiro de Computação, e aprovado em sua forma final pela Faculdade de Tecnologia e Ciências Sociais Aplicadas - FATECS. Prof. Abiezer Amarília Fernandes Coordenador do Curso Banca Examinadora: Prof a. Maria Marony Sousa Farias, mestre em Engenharia Elétrica UFPB PB. Orientadora Prof. Luciano Henrique Duque, mestre em Engenharia Elétrica. Prof. Doutor Miguel Archanjo Bacellar Goes Telles Junior Profª. Doutora Karin Astrid Marques Santos
4 IV Dedico a todas as pessoas que contribuíram para a conclusão desta grande etapa.
5 V AGRADECIMENTOS Primeiramente a Deus. A toda minha família, pela motivação ao longo deste projeto, pela dedicação sempre buscando o melhor para mim. A todos os colegas e grandes amigos com quem estudei e principalmente aqueles que contribuíram diretamente ou indiretamente para o desenvolvimento deste projeto. E principalmente a algumas pessoas especiais que mesmo tudo dando errado não pararam de me incentivar a continuar e a concluir esta grande etapa da minha vida. Muito Obrigado!
6 VI Comece fazendo o que é necessário, depois o que é possível e de repente estará fazendo o impossível. São Francisco de Assis.
7 VII RESUMO Neste trabalho é apresentado um dispositivo de detecção de vazamento de gás com aviso por SMS. O sensor utilizado é o MQ-9, que faz a leitura da quantidade de gás no ambiente. O projeto integra um módulo GSM, microcontrolador PIC16F877A, o sensor de gás e display. No projeto, a detecção de gás é dividida em três níveis: O Primeiro é denominado Nível Normal, onde o valor medido no ambiente é exibido no display e aciona um Led verde. O segundo é denominado de Vazamento Médio onde além da exibição no display, do acionamento de um Led amarelo, um aviso sonoro é emitido. O terceiro é denominado como Perigo! Gas! que exibe no display, aciona um Led vermelho, um aviso sonoro e o envio de SMS a um celular previamente cadastrado, notificando a irregularidade na concentração de gás inflamável. Palavras-chave: Vazamento, GSM, microcontrolador PIC16F877A, SMS.
8 VIII ABSTRACT This work presents a sensing device with gas leak alert by SMS. The sensor used is a MQ-9, which reads the amount of gas in the environment. The project integrates a GSM module, microcontroller PIC16F877A, the gas sensor and display. In the project, the gas detection is divided into three levels: The first is called "Nível Normal", where the measured value in environment is shown in the display and activates a green LED. The second is called "Vazamento Médio" where besides the display the display, the activation of a yellow LED, an audible warning is issued. The third is termed as "Perigo! Gas!" showing on the display, activates a red LED, a buzzer and sending SMS to a mobile phone previously registered, notify the irregularity in the concentration of flammable gas. Key-words: Leak, GSM, microcontroller PIC16F877A, Text messaging.
9 IX SUMÁRIO LISTA DE FIGURAS... XII LISTA DE TABELAS E QUADROS... XIV LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS... XV CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO Introdução ao Tema Proposto Motivação Objetivos Estrutura da Monografia CAPÍTULO 2 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA Problemas de Saúde Segurança Doméstica Soluções Existentes Benefícios do Dispositivo Proposto e Suas Restrições CAPÍTULO 3 REFERENCIAL TEÓRICO Microcontroladores Microcontroladores da família PIC Sensor de Gás Rede GSM SMS (Short Message Service)... 26
10 X SIM Card Visão Geral do Projeto CAPÍTULO 4 DESCRIÇÃO DO HARDWARE E SOFTWARE Microcontrolador PIC 16F877A Especificações Pinagem do PIC 16F877A Kit de Gravação PICkit Utilização do Kit de Gravação PICKit Sensor de Gás MQ Especificações Pinagem Módulo GSM SIM Especificações Pinagem Comandos AT Comunicação Serial RS Circuito Integrado MAX Pinagem do CI MAX PIC C Compiler Display LCD CAPÍTULO 5 IMPLEMENTAÇÃO Modelagem do Sistema Fluxograma Geral do Sistema Elaboração do Circuito Proteus ISIS 7.7 Professional... 53
11 XI Proteus ARES 7.7 Professional Elaboração do Código Fonte para o Microcontrolador PIC Escrita do Código Fonte Compilação e Gravação do Código Fonte Montagem do Protótipo CAPÍTULO 6 RESULTADOS OBTIDOS Simulações Problemas Encontrados Orçamento do Projeto Protótipo Final CAPÍTULO 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS Conclusões Propostas para Trabalhos Futuros REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A CÓDIGO FONTE DO DISPOSITIVO APÊNDICE B BIBLIOTECA DISPLAY LCD APÊNDICE C FUNÇÃO DO MODEM GSM APÊNDICE D - MONTAGEM DO CIRCUITO NA PLACA... 90
12 XII LISTA DE FIGURAS Figura 1.1- Métodos de Detecção de Vazamento de Gás com os Sentidos Humanos Figura 3.1 Dimensionamento das famílias PIC e dspic Figura Cartão SIM utilizado no projeto Figura 3.3 Diagrama em blocos do projeto Figura 3.4 Diagrama Esquemático do Projeto Figura 4.1 PIC 16F877A utilizado no projeto Figura Pinagem do PIC 16F877A Figura 4.3 Pinagem do PIC 16F877A utilizada no projeto Figura 4.4 PICKit Figura 4.5 Forma de Encaixe do PICKit Figura 4.6 Software PICKit 2 identificando o microcontrolador Figura 4.7 PICKit 2 Gravação Realizada com Sucesso Figura 4.8 Sensor de Gás MQ Figura 4.11 Módulo GSM SIM Figura 4.12 Pinagem e Ligações Utilizadas Figura 4.13 Modificação no Modem Figura 4.14 Conector DB9 Fêmea com pinagem Figura 4.15 CI MAX Figura Pinagem MAX Figura 4.17 Pinagem do MAX232 utilizada no projeto Figura 4.18 Display LCD utilizado no projeto Figura 5.1 Protótipo Concluído Figura 5.2 Esboço do Projeto Figura 5.3 Simulação do projeto no software ISIS Figura 5.4 Placa projetada no software ARES Figura 5.5 Código Fonte Parte I Figura 5.6 Código Fonte Parte II Figura 5.7 Código Fonte Parte III Figura 5.8 Código Fonte Parte IV... 57
13 XIII Figura 5.9 Código Fonte do Modem GSM Figura 5.10 Tela do PIC C Compiler Figura 6.1 Componentes do Projeto Figura 6.2 Projeto Completo... 65
14 XIV LISTA DE TABELAS E QUADROS Tabela 4.1 Significado das nomenclaturas dos pinos do PIC16F877A Tabela 4.2 Pinagem módulo GSM SIM Tabela 4.3 Comando AT Utilizados Tabela 4.4 Conector DB9 com direção e função dos pinos Tabela 4.5 Níveis de tensão lógica TTL e padrão RS Tabela 4.6 Pinos do Display LCD e ligações no projeto Quadro 6.1 Custo do Projeto... 63
15 XV LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Ω A/D AT Ohms Analógico / Digital Hayes AT Commands bps bit por segundo CDMA Code Division Multiple Access DB9 Data Bus 9 EEPROM Erasable Electronically Programmable Read Only Memory µf Micro-Farad GLP Gás Liquefeito de Petróleo GSM I2C LCD LED PIC SIM SnO2 SMS SPI V Global System for Mobile Communications Inter-Integrated Circuit Liquid Cristal Display Diodo Emissor de Luz Programmable Interface Controller Subscriber Identification Module Dióxido de Estanho Short Message Service Serial Peripheral Interface Volts
16 16 CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO 1.1 Introdução ao Tema Proposto A história da localização de vazamento de gases é longa, visto que os romanos já realizavam na antiguidade estas inspeções em barris de vinho. Os barris eram imersos em um tanque com água, se fosse constatado a presença de bolhas de ar saindo de uma determinada junta deste barril, então era porque ele não estava bem vedado e estava vazando ar. Esta mesma técnica ainda é utilizada nos dias de hoje por mecânicos para localizar vazamento em pneus e a partir dela foram se desenvolvendo outras formas para detecção do vazamento de gás. (CALANTE, 2012). Antigamente uma lamparina era utilizada na mineração como uma forma antiga de detecção de gás em minas de carvão subterrâneas e sistemas de esgoto. Apesar de ter sido originalmente criada como fonte de luz, o aparato também podia ser usado para identificar níveis de gases combustíveis, com uma precisão aproximada entre os 25% e 50%, dependendo da experiência do usuário, do seu treinamento, idade e identificação de cores. Já os detectores de gás modernos precisam ser muito mais confiáveis e com uma maior precisão. Existem diversos métodos simples para a localização de um vazamento que são bastantes conhecidos. Na Figura 1.1 são apresentados alguns exemplos de inspeções realizadas com estes métodos sem o emprego de equipamentos e/ou instrumentos auxiliares, isto é, métodos feitos simplesmente utilizando-se alguns sentidos humanos. (IDEM).
17 17 Figura 1.1- Métodos de Detecção de Vazamento de Gás com os Sentidos Humanos (FONTE: Técnicas Preditivas Ligadas à Inspeção, 2012, modificada) O desenvolvimento tecnológico, entretanto, fez com que estes métodos de detecção de vazamento de gás mencionados anteriormente não ficassem restritos somente à utilização dos sentidos humanos. A utilização de equipamentos complexos e específicos permitiu ampliar bastante a faixa de medição e melhorar muito a precisão destes métodos de ensaio. (CALANTE, 2012). Há uma crença popular de que quando se instala um sistema de detecção de gás o local se torna seguro. Está afirmação é errada e perigosa. O sistema de detecção de vazamento de gás faz o papel de assistente e aumenta a segurança do ambiente. Uma residência não pode estar protegida por uma ação simples de instalar um detector de gás, a segurança residencial se inicia na fase de concepção, da engenharia e dos materiais de boa qualidade. 1.2 Motivação O vazamento de gás hoje em dia é um problema que sem os cuidados necessários podem gerar grandes tragédias. A detecção moderna tem a capacidade de identificar vazamentos de acordo com sua proporção em relação ao oxigênio, mas quase todos estes equipamentos para a detecção do vazamento somente avisam as pessoas que estão próximas ao local onde estão instalados, com avisos
18 18 sonoros. Tendo em vista a comodidade do usuário, a utilização de um modem GSM para o envio de uma mensagem de texto avisando a irregularidade poderá evitar grandes explosões e salvar vidas. Em 11 de junho de 1996, véspera do Dia dos Namorados, um vazamento nos dutos de gás no Osasco Plaza Shopping, na Grande São Paulo, provocou a explosão que deixou 42 mortos no local. O acidente aconteceu na hora do almoço, na praça de alimentação. O "Jornal Nacional" do dia reconstituiu o acidente, mostrou as cenas de destruição e a busca por feridos. (G1 Notícias, 2007) Embora os casos de explosões sejam raros, o Corpo de Bombeiros recomendam algumas precauções que todos devem ter em caso de vazamento de gás. Este tipo de acidente é quase sempre causado pela falta de cuidado com o chamado kit de gás, composto pelos reguladores de pressão, mangueiras e abraçadeiras. Este kit deve ser trocado de 5 em 5 anos, sempre após o vencimento. Geralmente não é o botijão que explode e sim a instalação. (SP Notícias, 2011) 1.3 Objetivos A finalidade deste projeto é apresentar um dispositivo de detecção de vazamento de gás GLP com aviso por SMS, utilizando para isso equipamentos computacionais simples e com custo baixo. Apresentar um protótipo de um dispositivo capaz de identificar vazamento de gás inflamável. Integrar o microcontrolador com o módulo GSM. Emitir um aviso sonoro, exibir uma mensagem no display LCD e enviar uma mensagem de texto para um celular previamente cadastrado quando ocorrer vazamento de gás.
19 Estrutura da Monografia Esta monografia é dividida em sete capítulos, incluindo a INTRODUÇÃO, que trata da introdução ao tema proposto, a motivação do projeto e os principais objetivos. E essa seção que descreve toda a estrutura da monografia. No segundo capítulo, APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA, é apresentada uma descrição aprofundada sobre as questões motivacionais do trabalho, as soluções existem atualmente sobre o tema proposto. E a última seção deste capítulo aborda de forma resumida os benefícios do dispositivo proposto e suas restrições. No terceiro capítulo, REFERENCIAL TEÓRICO, trata de assuntos como sensor, microcontroladores, GSM de forma conceitual. Nesse capítulo é apresentada também uma visão geral do projeto. No quarto capítulo, DESCRIÇÃO DO HARDWARE E SOFTWARE, aborda as especificações dos dispositivos utilizados, é detalhada a especificação dos componentes de controle de comunicação serial, do microcontrolador PIC utilizado, detalhamento do sensor, bem como a configuração do módulo GSM, dentre outros dispositivos e softwares. No quinto capítulo, IMPLEMENTAÇÃO, é apresentado o desenvolvimento do projeto, como a integração entre o hardware e software, desenvolvimento do código na linguagem C e outras informações. No sexto capítulo, RESULTADOS OBTIDOS abordam toda a parte de teste do protótipo, ajustes de problemas encontrados e suas dificuldades. No sétimo capítulo, CONSIDERAÇÕES FINAIS, são apresentadas a conclusão e as sugestões para trabalhos futuros.
20 20 CAPÍTULO 2 APRESENTAÇÃO DO PROBLEMA Este capítulo tem o objetivo de detalhar as questões que motivaram o trabalho, como: evitar acidentes, que foi apresentado resumidamente na seção Motivação do capítulo anterior. São apresentadas também algumas soluções existentes para estas questões, no que diz respeito à detecção de vazamento de gás. E por fim, são apresentados os benefícios do dispositivo proposto pelo trabalho e suas restrições. 2.1 Problemas de Saúde A exposição ao gás através de vazamento pode ser prejudicial à saúde. O gás pode levar a explosões e representar riscos graves para a saúde que às vezes são até mesmo fatais. O vazamento pequeno acumula ao longo de um período de tempo e adiciona uma quantidade significativa de poluentes que forçam o sistema imunitário e outras funções corporais. De acordo com a National Library of Medicine, se um vazamento de gás ocorreu e é grave, o oxigênio pode ser reduzido, causando tonturas, cansaço, náuseas, dor de cabeça e respiração irregular. Vazamento de gás pode causar sérios danos às plantas, afetando assim o ecossistema ambiental também. (Online Directory, 2012). O gás de cozinha é mais pesado do que o ar e, quando há vazamentos, vai se acumulando a partir do piso, expulsando o oxigênio e preenchendo todo o ambiente. Ele não é tóxico, mas tem efeito anestésico. Dependendo da quantidade e do local onde ocorrer o vazamento, pode levar à asfixia. O gás quando está sobre pressão no botijão e ocorre vazamento, há absorção do calor na vaporização do gás e o contato com o GLP nesta fase pode causar queimaduras. 2.2 Segurança Doméstica Um dos mais comuns acidentes domésticos são os acidentes envolvendo vazamento de gás de cozinha e até explosões. Quando ocorre, a chama de um fósforo, a brasa de um cigarro, a faísca produzida pelo relé da geladeira ou pelo
21 21 interruptor de luz elétrica são suficientes para provocar uma explosão causando deslocamento de ar, que pode destruir paredes e arremessar objetos a grandes distancias. 2.3 Soluções Existentes Por ser um produto inodoro (sem cheiro), o GLP possui um composto à base de enxofre para caracterizar seu cheiro. Dessa forma, é possível detectar eventuais vazamentos. Para verificar se ocorreram vazamentos de gás, é recomendado passar uma esponja com água e sabão sobre a conexão da válvula/regulador de pressão de gás. Se houver vazamento, aparecerão bolhas no local. É encontrado no mercado um Detector de Gás, que detecta a concentração de gás GLP. Ao detectar a concentração de gás emite um sinal sonoro e um sinal visual do próprio aparelho. Que pode ser instalado em cozinhas residenciais ou comerciais, depósitos de GLP e outros locais onde podem ocorrer eventuais vazamentos. (Minulight, 2012). 2.4 Benefícios do Dispositivo Proposto e Suas Restrições A função do projeto é apresentar um dispositivo de detecção de vazamento de gás GLP com aviso por SMS, integrando o sensor de gás com o microcontrolador e com o modem GSM. O principal benefício do dispositivo será a possibilidade do cliente ser avisado de um vazamento de gás por um telefone e ter o feedback 1 do dispositivo, informando através de uma mensagem SMS se ocorreu um grande vazamento de gás no local onde o dispositivo foi instalado, e de certo modo ele será avisado mesmo não estando presente no local. 1 Feedback é o procedimento que consiste no provimento de informação à uma pessoa sobre uma ação executada por esta, objetivando informar sobre as ações executadas anteriormente.
22 22 O projeto não tem como funcionalidade de tratar erros do sensor ou até armazenar os dados recebidos pelo mesmo. O protótipo somente fará a leitura do nível do gás e dependendo deste valor terá um comportamento. Por questão de melhor demonstração do funcionamento do protótipo e por questões de segurança o vazamento do gás será feito através de um isqueiro que será posicionado próximo ao sensor.
23 23 CAPÍTULO 3 REFERENCIAL TEÓRICO Neste capítulo é exibida uma visão de forma geral do projeto proposto. Por isso é essencial para o entendimento do mesmo a compreensão dos assuntos abordados neste capítulo. Para o melhor desenvolvimento deste trabalho, é necessário o estudo de conceitos teóricos relacionados ao projeto desenvolvido. Embora alguns dos conceitos citados exijam um detalhamento mais amplo do tema para sua total compreensão, ter em vista manter o foco principal, apenas as características mais incluídas ao projeto serão apresentadas. 3.1 Microcontroladores O microcontrolador é um dispositivo semicondutor em forma de circuito integrado, que integra as partes básicas de um microcomputador - microprocessador, memórias não-voláteis e voláteis e portas de entrada e saída. Geralmente, é limitado em termos de quantidade de memória, principalmente no que diz respeito à memória de dados, é utilizada em aplicações específicas, ou seja, naquelas que não necessitam armazenar grandes quantidades de dados. Apresenta um custo bastante baixo e possui vários fornecedores. (GIMENEZ, 2002, p.4). Alguns dos fornecedores mencionados acima são: Hitachi, Intel, Microchip, Mitsubishi, Motorola, Philips, Toshiba etc. Foi utilizado neste projeto o microcontrolador PIC16F877A, por ter uma abundância de pinos de entrada e saída (33 pinos dos 40 pinos do microcontrolador), por ter um fácil acesso no comércio local e principalmente porque os microcontroladores da série 16F têm conversor analógico/digital.
24 Microcontroladores da família PIC O microcontrolador PIC produzido pela Microchip Technology Inc., é um circuito integrado que em um único dispositivo possui todos os circuitos necessários para realizar um sistema programável completo. Os microcontroladores da família PIC possuem modelos variados com características análogas e que podem ser operados por um parecido set de instruções. Embora apresentando características principais parecidas, eles se distinguem quanto a seus periféricos (memórias, comparadores, conversores) e quantidade de pinos. Dessa forma, há uma diversidade de microcontroladores e funcionalidades. (SOUZA, 2005) A denominação família PIC é devido aos vários microcontroladores fornecidos, que variam de 8-bits, 16-bits até 32-bits, conforme mostrada na Figura 3.1. Figura 3.1 Dimensionamento das famílias PIC e dspic. (Fonte: MICROCHIP TECHNOLOGY INC, adaptada). As principais características técnicas do microcontrolador PIC18F877A, serão abordadas na seção Microcontrolador PIC16F877A- no capítulo a seguir.
25 Sensor de Gás Sensor é um termo empregado para designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente. Um sensor nem sempre tem as características elétricas necessárias para ser utilizado em um sistema de controle. Geralmente o sinal de saída é manipulado antes de sua leitura no sistema de controle. (THOMA- ZINI e ALBUQUERQUE, 2005, p.17). É um termo utilizado para indicar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia do ambiente que pode ser luminosa, térmica, cinética, relacionando informações sobre uma grandeza que pode ser medida, como: temperatura, pressão, velocidade, corrente, aceleração, posição, etc. (IDEM). As principais características físicas dos gases são a sua grande compressibilidade e extraordinária capacidade de expansão. Os gases não apresentam um volume fixo, pois sempre ocupam o volume total do recipiente em que estão confinados. Outra propriedade inerente aos gases é que eles são miscíveis entre si em qualquer proporção, ou seja, formam uma mistura homogenia. (USBERCO e SAL- VADOR, 2006, p.374). Assim como existem materiais condutores (cobre, alumínio, ouro, prata) e materiais isolantes (borracha, vidro), existe um tipo de material que é um meio termo entre esses dois primeiros. Esse material é o semicondutor, ou seja, um quase condutor de eletricidade. O semicondutor possui um nível de condutividade entre os extremos de um isolante e um condutor. Os dispositivos semicondutores são considerados a peça mais importante na revolução ocorrida na microeletrônica que tanto tem influenciado as nossas vidas. Os materiais semicondutores mais usados na indústria eletrônica são o Germânio (Ge) e o Silício (Si). (SCHMIDT, 2010). O sensor utilizado no projeto utiliza o dióxido de estanho na estrutura rutila (SnO 2 ) que é um semicondutor que faz parte da classe dos óxidos condutores transparentes (TCO). Possui gap direto de 3,6 e V e condutividade do tipo n, mesmo quando não dopado intencionalmente. Mais especificações sobre o sensor são dadas no Capítulo 4 especificamente no 4.2 Sensor de Gás MQ-9.
26 Rede GSM 1 A rede GSM foi criada com o objetivo de padronizar o sistema de telefonia móvel acabando com a incompatibilidade de redes. Que ocorreu devido ao crescimento desenfreado da produção dos celulares analógicos durante os anos 80 onde cada país tinha seu próprio sistema de envio de dados, protocolos e frequência de comunicação. Um grupo de estudos Europeu foi criado para desenvolver um sistema móvel padrão o Group Special Mobile (GSM). A rede GSM é uma tecnologia digital para celulares usada para transmissão de voz e serviços de dados móveis. Suporta chamadas de voz e dados como o envio de SMS, com velocidade de transferência de até 9,6 Kbps. (GSM WORD, 2012, traduzido) SMS (Short Message Service) O Serviço de Mensagens Curtas (Short Message Service) permite aos usuários enviarem e receberem mensagens a partir de um aparelho de telefone celular. Cada mensagem pode ser de até 160 caracteres e ser enviada e recebida por usuários de diferentes redes de operadoras. (CAMPOS, 2010). Este serviço foi criado para funcionar com a tecnologia digital GSM, seu principal objetivo era um sistema simples de mensagens que funcionasse mesmo quando os aparelhos móveis dos usuários estivessem fora da área de cobertura ou desligados SIM 2 Card O SIM Card é um chip de memória portátil usado principalmente em telefones celulares que operam em redes GSM. Estes cartões SIM possuem memória 1 GSM é a sigla em inglês de Global System for Mobile Communications (Sistema Global para Comunicações Móveis), antiga Group Special Mobile. 1 SIM é a sigla de Subscriber Identity Module (Módulo de Identificação do Assinante).
27 27 do tipo EEPROM 1, onde são guardados informações pessoais do titular da conta de telefone, incluindo o número de telefone, contatos, mensagens de texto e outros dados. Quando um usuário quer mudar de aparelho, ele pode facilmente remover o chip de um aparelho e inseri-lo em outro. Os cartões SIM são uma parte fundamental do desenvolvimento da tecnologia dos celulares, pois antigamente somente existia a rede CDMA onde o aparelho que guardava as informações do usuário e para realizar a troca de aparelho, o usuário tinha que ir à loja da operadora para transferir o número para outro aparelho. (Wise Geek, 2012, traduzido e modificado). A Figura 3.2 ilustra o cartão SIM utilizado no projeto. Cartão SIM da operadora TIM (escolhido aleatoriamente), com 128 KB de memória e 25 mm por 15 mm de tamanho. Figura Cartão SIM utilizado no projeto (FONTE: Autor) 1 EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory) é um chip de armazenamento não-volátil, podendo ser programada e apagada várias vezes, eletricamente.
28 Visão Geral do Projeto O projeto basicamente é constituído por módulo GSM (SIM900), microcontrolador (PIC do modelo 16F877A), conversor de sinais de porta serial (circuito Integrado MAX232), sensor de gás (MQ-9), regulador de tensão (7805) e demais componentes eletrônicos, tais como resistores, capacitores, oscilador de cristal, led s, diodos e outros. O diagrama em blocos do projeto é ilustrado na Figura 3.3. Figura 3.3 Diagrama em blocos do projeto (FONTE: Autor) O diagrama esquemático do projeto proposto pode ser observado na Figura 3.4, na qual representa de forma objetiva a composição geral do projeto.
29 29 Figura 3.4 Diagrama Esquemático do Projeto (FONTE: Autor) 1) O sensor de gás manda o valor da leitura para o microcontrolador PIC; 2) O PIC recebe o sinal, caso for irregular aciona o modem e informa no Display; 3) O Display exibe a mensagem; 4) Modem envia o SMS Detalhes sobre o hardware e o software utilizados e seus funcionamentos encontram-se no CAPÍTULO 4 DESCRIÇÃO DE HARDWARE E SOFTWARE. A implementação do projeto pode ser observada no CAPÍTULO 5 IMPLEMENTA- ÇÃO.
30 30 CAPÍTULO 4 DESCRIÇÃO DO HARDWARE E SOFTWARE Este capítulo explica as especificações, pinagens de forma detalhada, dos dispositivos usados e seu devido funcionamento nesse projeto, tanto a parte física, ou seja, o hardware, como a parte lógica, os softwares utilizados. 4.1 Microcontrolador PIC 16F877A O microcontrolador utilizado nesse projeto foi o PIC 16F877A, conforme mencionado no capítulo anterior. Ele é o componente responsável em fazer a comunicação com o circuito, onde estão ligados os outros componentes do projeto. Por ser um modelo com 40 pinos, possibilita a montagem de um hardware complexo e capaz de interagir com diversos recursos ao mesmo tempo. (SOUZA, 2005, p.18). A Figura 4.1 ilustra o PIC 16F877A utilizado neste projeto. Figura 4.1 PIC 16F877A utilizado no projeto (Fonte:Multilogica)
31 Especificações 2005). As principais especificações técnicas do PIC 16F877A são: (SOUZA, Microcontrolador de 40 pinos; Via de programação com 14 bits e 35 instruções; Programação in-circuit (alta e baixa tensão); Frequência de operação de até 20 MHz; Memória flash de programa de 8kwords; 33 portas configuráveis como entrada ou saída; 15 interrupções disponíveis; Memória EEPROM interna com 256 bytes; Memória RAM com 368 bytes; Conversores A/D (analógico-digital) de 10 bits (8x) e comparadores analógicos (2x); Comunicações seriais: SPI, I2C e USART. Este modelo da família PIC foi escolhido devido ao fato de possuir 33 portas configuráveis de entrada e saída, comunicação serial e conversor A/D, conforme estas características a elaboração deste dispositivo foi possível Pinagem do PIC 16F877A A pinagem do PIC 16F877A é mostrada na Figura 4.2 e o significado das nomenclaturas utilizadas na identificação desses pinos na Tabela 4.1.
32 32 Figura Pinagem do PIC 16F877A (Fonte: Microchip Technology Datasheet, 2003, p.3) Tabela 4.1 Significado das nomenclaturas dos pinos do PIC16F877A. N Pino Descrição 1 MCLR/Vpp Master Clear (reset). O microcontrolador funciona quando este pino está em nível alto. 2 RA0 Entrada e saída digital. AN0 Entrada analógica. 3 RA1 Entrada e saída digital. AN1 Entrada analógica. 4 RA2 AN2 V REF- /CV REF Entrada e saída digital. Entrada analógica. Tensão negativa de referência analógica. 5 RA3 AN3 V REF+ Entrada e saída digital. Entrada analógica. Tensão positiva de referência analógica. 6 RA4 T0CKI C1OUT Entrada e saída digital. Open-drain quando configurado como saída. Entrada externa do contador TMR0. Saída do comparador 1. RA5 Entrada e saída digital. 7 AN4 Entrada analógica. SS Slave para a comunicação SPI. C2OUT Saída do comparador 2. 8 RE0 RD AN5 Entrada e saída digital. Controle de leitura da comunicação paralela. Entrada analógica. 9 RE1 WR AN6 Entrada e saída digital Controle de escrita da comunicação paralela. Entrada analógica. 10 RE2 CS AN7 Entrada e saída digital. Habilitação externa para comunicação paralela. Entrada analógica. 11/32 VDD Alimentação positiva.
33 33 12/31 VSS GND. 13 OSC1/CLKIN Oscilador cristal ou entrada de osciladores externos. 14 OSC2/CLKOUT Saída para oscilador cristal RC0 T1OSO T1CKI RC1 T1OSI CCP2 RC2 CCP1 RC3 SCK SCL RD0 PSP0 RD1 PSP1 RD2 PSP2 RD3 PSP3 RC4 SDI DAS RC5 SDO RC6 TX CK RC7 RX DT RD4 PSP4 RD5 PSP5 RD6 PSP6 RD7 PSP7 RB0 INT Entrada e saída digital. Saída do oscilador externo para TMR1. Entrada de incremento para TMR1. Entrada e saída digital. Entrada do oscilador externo para TMR1. Entrada do Capture2 ou Saída para Compare2/PWM2. Entrada e saída digital. Entrada do Capture1 ou Saída para Compare1/PWM1. Entrada e saída digital. Entrada/Saída do clock para comunicação SPI. Entrada/Saída do clock para comunicação I2C. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Entrada de dados para comunicação SPI. Entrada/Saída de dados para comunicação I2C. Entrada e saída digital. Saída de dados para comunicação SPI. Entrada e saída digital. Transmissão para comunicação assíncrona USART. Clock para comunicação síncrona USART. Entrada e saída digital. Recepção para comunicação assíncrona USART. Dados para comunicação síncrona USART. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Comunicação paralela. Entrada e saída digital. Interrupção externa. 34 RB1 Entrada e saída digital. 35 RB2 Entrada e saída digital. 36 RB3 Entrada e saída digital. PGM Entrada para programação de baixa tensão. 37 RB4 Entrada e saída digital. 38 RB5 Entrada e saída digital. 39 RB6 Entrada e saída digital. PGC Clock de programação serial ou pino de in-circuit debugger. 40 RB7 Entrada e saída digital. PGD Dado de programação serial ou pino de in-circuit debugger.
34 34 A pinagem escolhida no projeto pode ser observada na Figura 4.3. Essa configuração atende às necessidades de cada componente utilizado no projeto Figura 4.3 Pinagem do PIC 16F877A utilizada no projeto. (Fonte: Rogercom, modificada) Kit de Gravação PICkit 2 O kit de gravação PICkit 2 é uma ferramenta de desenvolvimento que permite comunicar o computador diretamente com o microcontrolador PIC. É composto do conector para gravação em microcontroladores PIC de 8, 14, 18, 20, 28 e 40 pinos, conforme é mostrado na Figura 4.4.
35 35 Figura 4.4 PICKit 2 (Fonte: Autor) Na Figura 4.5 é mostrada como os microcontroladores devem ser inseridos no Soquete ZIF de 40 pinos de acordo com sua quantidade de pinos. Figura 4.5 Forma de Encaixe do PICKit 2 (Fonte: Manual PICKit2) Além do gravador e o cabo USB, o PICKit 2 possui também um CD com o software (PICKit 2 Programmer) que identifica o microcontrolador a ser gravado e pode ser utilizado em qualquer computador com uma porta USB 1.1 ou 2.0. A Figura 4.6 ilustra a tela do software identificando a conexão com o microcontrolador.
36 36 Figura 4.6 Software PICKit 2 identificando o microcontrolador (Fonte: Autor) Utilização do Kit de Gravação PICKit 2 Após criar o arquivo com o PIC C Compiler, de extensão.hex, o passo seguinte foi abrir o software onde foi mostrado em Device o dispositivo utilizado (Conforme Figura 4.6, PIC16F887A), clicando no botão File e em seguida em Import Hex uma janela se abrirá onde deverá ser localizado o arquivo de extensão.hex, com isso o software está pronto para realizar a gravação no microcontrolador. Clicando em Write o software PICKit 2 iniciará a gravação e conforme é mostrado na Figura 4.7 onde o status Programming Sucessfull (gravação realizada com sucesso) é apresentado.
37 37 Figura 4.7 PICKit 2 Gravação Realizada com Sucesso (Fonte: Autor) 4.2 Sensor de Gás MQ-9 O MQ-9 mostrado na Figura 4.6 tem um sensor de gás metano (CH 4 ) com alta sensibilidade ao monóxido de carbono (CO) e GLP. O sensor é de baixo custo e adequado para diferentes aplicações. Figura 4.8 Sensor de Gás MQ-9 (Fonte: MQ-9 Datasheet)
38 Especificações O material sensível do sensor de gás MQ-9 é o SnO 2, que possui menor condutividade em ar limpo. A detecção é feita pelo método da temperatura no ciclo alto e baixo, detecta CO quando a temperatura é baixa (aquecido por 1,5 V). A condutividade do sensor é mais elevada juntamente com a concentração de gás ascendente. Quando a temperatura é elevada (aquecido por 5.0V), detecta metano (CH 4 ), propano (C 3 H 8 ), GLP, etc. (MQ-9 Datasheet, 2012, traduzido e adaptado). O MQ-9 utiliza um circuito elétrico simples. Converte a mudança de condutividade para corresponder ao sinal de saída de concentração de gás. Características: 1 - Alta sensibilidade ao CO e gás combustível; 2 - Alta sensibilidade ao Propano (C 3 H 8 ), metano (CH 4 ) e CO; 3 - Resposta rápida; 4 - Ampla faixa de detecção; 5 - Desempenho e estabilidade, longa vida, baixo custo; 6 - Simples circuito de acionamento. A descrição acima é circuito de teste básico do sensor conforme mostrado na Figura 4.9. O sensor necessita de 2 tensões, tensão de aquecimento, (VH) e tensão de teste (VC). VH é usado para fornecer temperatura de trabalho certificado para o sensor, enquanto VC usado para detectar a tensão (VRL) na carga resistiva (RL) que está em série com o sensor. VC precisa de tensão DC. VC e VH podem usar o mesmo circuito elétrico com pré-condição para garantir desempenho do sensor. A pinagem utilizada é ilustrada na Figura 4.10.
39 39 Figura Circuito de teste básico. (Fonte: MQ-9 Data sheet) Pinagem Figura 4.10 Pinagem utilizada (Fonte: MQ-9 Data Sheet) 4.3 Módulo GSM SIM900 O IComSat é um shield GSM/GPRS baseado no modulo Quad-band GSM/GPRS SIM900. Ele é controlado via comando AT (GSM 07.07, e coman-
40 40 do AT melhorado SIMCOM 1 ), é um módulo totalmente compatível com vários microcontroladores, porém foi produzido para uso fácil com Arduino. (SIM 900 Data Sheet, IComSat SIM 900). A Figura 4.11 ilustra o modem GSM SIM900. Figura 4.11 Módulo GSM SIM900 (Fonte: SIM 900 Data Sheet, IComSat SIM 900) Especificações O SIM900 é um módulo GSM/GPRS quadband com pilha TCP/IP e pode ser usado em aplicações onde a transmissão via tecnologia GSM/GPRS se faça necessária; seja, transmissão de voz, SMS - mesmo assim, consome pouca energia. Seu reduzido tamanho o torna ideal para os mais exigentes requisitos das aplicações industriais, como M2M 2, telemetria ou qualquer outra forma de comunicação móvel. O módulo é fabricado pela SIMCOM e distribuído no Brasil pela ME Compo- 1 SIMCOM Wireless Solutions é líder na indústria fornecendo módulos sem fio de alta qualidade para diferentes plataformas de tecnologias em redes. (Página na Web: 2 Máquina a máquina (M2M) é a utilização um dispositivo para capturar um evento que é retransmitido para um aplicativo que traduz o evento capturado em informações significativas.
41 41 nentes 1. As principais características do módulo SIM900 são: (SIM 900 Data Sheet, IComSat SIM 900). Quad-Band 850/900/1800/1900MHz; GPRS classe multi-slot 10/8; GPRS estação móvel classe B; Compatível com o GSM fase 2/2+; Classe 4 Classe 1 Controle via comandos (GSM 07.07, e SIMCOM Comandos AT melhorado); SMS(Short Message Service); Porta serial livre para seleção; Todos os módulos SIM900 conexões para pinos de saídas; RTC 2 suportado com Super Capacitor; Power on/off e reset de funções suportadas pela interface Arduino; Indicadores de PWR, LED de estado e LED de estado de rede; Tamanho da PCB: 77,2mm X 66 mm X 1,6mm; Alimentação Externa: 9 a 20 volts DC(Compatível com Arduino); Protocolo de comunicação: UART 3 ; 1 ME Componentes e Equipamentos é uma empresa fundada em 1997, que trabalha com todos os tipos e com as melhores marcas de componentes eletrônicos, tais como módulos GPS, módulos GSM/GPRS, circuitos integrados. (Página na Web: 2 RTC (Real-time clock) Relógio de Tempo Real é um circuito integrado que mantém o controle do tempo presente, utilizado para evitar confusão com um outro clock. 3 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) tem a finalidade de converter dados paralelos para a forma serial e vice versa.
42 42 RoHS: Sim Pinagem Na Figura 4.12 é mostrada a pinagem do modem GSM/GPRS SIM900 e a troca de jumpers para realizar a configuração do modem. A Tabela 4.2 descreve todos os pinos do modem. Figura 4.12 Pinagem e Ligações Utilizadas (Fonte: SIM 900 Data Sheet, adaptado) Tabela 4.2 Pinagem módulo GSM SIM900 Interface Pino Descrição 1 VDD* 2 GND 3 GPIO1 4 GPIO2 5 GPIO3 6 GPIO4 7 GPIO5 GPIOs 8 GPIO6 9 GPIO7 10 GPIO8 11 GPIO9 12 GPIO10 13 GPIO11 14 GPIO12 15 GND
43 43 16 VDD* 1 GND 2 DTR 3 RI UART 4 DCD 5 CTS 6 RTS 7 TXD 8 RXD 1 GND 2 GND 3 IIC_SCL IIC&PWM 4 IIC_SDA 5 PWM2 6 PWM1 7 GND 8 GND 1 GND Debug_Port 2 PERKEY 3 DBG_RXD 4 DBG_TXD VDD* = 3.0 V Nota: O nível de operação da porta? É de 3.0V. FONTE: ME COMPONENTES Foram feitas algumas modificações no modem GSM SIM900, para que ele possa ser iniciado e reiniciado com comandos vindos diretamente do microcontrolador. Na Figura 4.13 é mostrada estas modificações, onde estão os dois fios soldados nos pinos. Figura 4.13 Modificação no Modem (Fonte: SIM 900 Data Sheet, adaptado)
44 Comandos AT O comando AT é um conjunto de linhas de comando que se comunica com o módulo GSM e é utilizado para configurar este módulo. Um dos serviços do módulo GSM que foram configurados neste projeto é o envio de SMS através da rede de celular com tecnologia GSM. Os comandos AT utilizados para a configuração do modem GSM SIM 900 e suas descrições são apresentados na Tabela 4.3. Tabela 4.3 Comando AT Utilizados Comando AT <ENTER> AT+IPR=<RATE> AT+CPIN= 2727 <ENTER> AT+CMGF=1 <ENTER> AT+CSCS= +55XXXXXXXXXX TESTE DO MODEM <CTRL-Z> FONTE: SIMCOM, 2010b, p. 6. Descrição Verifica se o modem está conectado corretamente. Receberá a resposta OK na tela. Define a taxa de transferência de dados. No lugar do <RATE> é colocado a taxa de baunds por segundo. Libera o uso do SIM CARD no modem.usado somente caso o chip possua PIN, O número 2727 deverá ser substituído pelo PIN referente ao SIM CARD. Estabelece a condição de enviar mensagens de texto simples SMS. Receberá resposta OK. Cadastra o número de telefone celular em que se deseja enviar a mensagem de texto. O número +55XXXXXXXXXX deverá ser substituído. Deve-se digitar o texto da mensagem que deseja enviar e em seguida digitar o comando <CTRL-Z> para finalizar e concluir o envio. 4.4 Comunicação Serial RS-232 A comunicação serial do tipo RS232 é muito empregada para permitir a comunicação entre dispositivos. Dispositivos como modem são apenas uns dos diversos equipamentos que podem ser conectados á porta serial, que realiza a comunicação entre um equipamento de dados terminal e um equipamento de comunicação de dados. Foi utilizado o conector DB9 neste projeto conforme mostrado na Figura 4.14 e a pinagem é apresentada pela Tabela 4.4.(CANZIAN, 2012; ZANCO, 2010, p.262).
45 45 Figura 4.14 Conector DB9 Fêmea com pinagem (Fonte: Autor) Tabela 4.4 Conector DB9 com direção e função dos pinos. Número Nome Direção Função 1 DCD Data Carrier Detect Entrada Detectar Portadora 2 RXD Receive Data Entrada Recepção de Dados 3 TXD Transmit Data Saída Transmissão de Dados 4 DTR Data Terminal Ready Saída Terminal de Dados Prontos 5 GND Signal Ground - Terra 6 DSR Data Set Ready Entrada Conjunto de Dados Prontos 7 RTS Request to Send Saída Pronto para Enviar (computador) 8 CTS Clear to Send Entrada Envie os Dados (modem) 9 RI Ring Indicator Entrada Indicador de Campainha Elétrica FONTE: ZANCO, 2010, p. 263 (alterada). Foi utilizado o Circuito Impresso MAX232 para fazer a comunicação entre o PIC 16F877A e o módulo GSM SIM900, pois é um conversor de nível TTL 1 para o padrão RS-232. Somente três pinos do conector DB9 foram utilizados: O pino 2 para receber os dados do modem (RXD), o pino 3 para transmitir os dados para o modem (TXD) e o pino 5 que é o terra (GND). 1 TTL (Transistor-Transistor Logic) é um padrão elétrico que foi estabelecido para permitir que componentes de diferentes fabricantes possam se comunicar sem a preocupação de que o nível lógico zero ou um varie entre os componentes.
46 Circuito Integrado MAX232 O CI MAX232 é um circuito integrado que converte níveis de tensão correspondentes à lógica TTL no padrão RS-232 e vice versa. Foi utilizado devido ao microcontrolador PIC16F877A e o módulo GSM SIM900 terem níveis de tensão diferentes. (ZANCO, 2010, p.267). A Figura 4.15 ilustra o CI MAX232 utilizado neste projeto e a Tabela 4.5 apresenta os níveis de tensão correspondentes aos níveis lógicos zero (0) e um (1) do padrão RS-232 e do PIC16F877A. Figura 4.15 CI MAX232 (Fonte: Autor) Tabela 4.5 Níveis de tensão lógica TTL e padrão RS-232 Nível Lógico PIC16F877A Padrão RS ,6 +5V a +15V 1 5V 0,6V 5V a 15V FONTE: ZANCO, 2010, p Pinagem do CI MAX232 Na Figura 4.16 é mostrado a o CI MAX232 com sua pinagem, nele foram ligados cinco capacitores de 10µF conectados externamente a alguns dos seus pinos.
47 47 Figura Pinagem MAX232 (Fonte: Datasheet MAX232) Figura 4.17 Pinagem do MAX232 utilizada no projeto (Fonte: Autor) A pinagem optada para o circuito integrado MAX232 no projeto, como mostrada na Figura 4.17 foi: Pino 1 e 3: capacitor de 10µF; Pino 2 e Fonte de alimentação: capacitor de 10µF; Pino 4 e 5: capacitor de 10µF; Pino 6 e Terra: capacitor de 10µF;
48 48 Pinos 7, 8, 9 e 10: não são utilizados; Pino 11: ligação com modem GSM SIM900 no pino TX2; Pino 12: ligação com modem GSM SIM900 no pino RX2; Pino 13: ligação com a porta serial (DB9) no pino 3 (TXD); Pino 14: ligação com a porta serial (DB9) no pino 2 (RXD); Pino 15: ligação com o GND (terra); Pino 16: Fonte de alimentação e capacitor de 10µF aterrado. 4.5 PIC C Compiler Foi utilizado para a elaboração da programação do projeto o compilador PIC C Compiler da CSS,Inc. É um programa que apresenta uma grande variedade de ferramentas para o desenvolvimento e depuração de aplicativos embutidos em execução nos microcontroladores PIC. O PIC C Compiler compila códigos gravados com a extensão.c. Após compilação oito arquivos com o mesmo nome são gerados no mesmo local, com as seguintes extensões:.cof,.err,.hex,.lst,.pjt,.sta,.sym,.tre. O programa além de compilar, mostra avisos e erros e a previsão do uso da memória RAM e ROM do microcontrolador. Após compilação, o arquivo.hex será utilizado, tanto na simulação no programa ISIS Proteus, como na gravação no microcontrolador PIC. 4.6 Display LCD O display LCD escolhido para este projeto foi um LCD 16x2, é um módulo que possui duas linhas, cada linha exibe até dezesseis caracteres. A Figura 4.18 ilustra o módulo utilizado.
49 49 A Tabela 4.6 apresenta a descrição dos pinos do módulo LCD e o interfaceamento no projeto. Figura 4.18 Display LCD utilizado no projeto (Fonte: Autor) Tabela 4.6 Pinos do Display LCD e ligações no projeto Pino Símbolo Função Interfaceamento no projeto 16 K Cátodo Backlight Aterrado 15 A Anodo Backlight Pino 15 do PIC16F877A 1 VSS Terra Aterrado 2 VDD +5 V Fonte de Alimentação 3 V O Ajuste de contraste Resistor de 4k7 4 R/S Seleção de registro Pino 34 do PIC16F877A 5 R/W Leitura / Escrita Aterrado 6 E Inicia ciclo Leitura / Escrita Pino 33 do PIC16F877A 7 DB0 Dado NÃO UTILIZADO 8 DB1 Dado NÃO UTILIZADO 9 DB2 Dado NÃO UTILIZADO 10 DB3 Dado NÃO UTILIZADO 11 DB4 Dado Pino 35 do PIC16F877A 12 DB5 Dado Pino 36 do PIC16F877A 13 DB6 Dado Pino 37 do PIC16F877A 14 DB7 Dado Pino 38 do PIC16F877A FONTE: Datasheet 1602h. Foram utilizados apenas quatro bits de dados, as quatro linhas mais significativas (DB7: DB4), com isso foram necessários apenas seis pinos do microcontrolador para que a comunicação com o LCD fosse viabilizada e um pino para controlar o Backlight do Display.
50 50 CAPÍTULO 5 IMPLEMENTAÇÃO Neste capítulo são apresentados tópicos fundamentais para compreensão geral da implementação do projeto, foram definidas as etapas necessárias para isso, que são: Modelagem do sistema; Elaboração do circuito; Elaboração do código fonte para o microcontrolador PIC; Montagem dos circuitos nas placas; Montagem do protótipo; Na Figura 5.1 é mostrado o protótipo em sua fase final. Figura 2.1 Protótipo Concluído (Fonte: Autor) 5.1 Modelagem do Sistema Primeiramente foi definido o que o projeto deveria ter de forma geral e quais os componentes necessários para fazer a integração de algumas de suas partes. A Figura 5.2 ilustra o esquema inicial que deu origem ao modelo para a simulação no software ISIS.
51 51 Figura 5.2 Esboço do Projeto (Fonte: Autor) Na Figura 5.2 todas as ligações com o PIC16F877A estão esquematizadas para seu devido funcionamento com os componentes determinados no projeto. O projeto é formado por uma placa de 10 cm x 15 cm que são encontrados todos os componentes. O regulador de tensão foi colocado em um dissipador de calor e conectado através de um cabo a placa, pois ao ser ligado esquenta bastante e a sua localização na placa fica muito próxima do modem GSM SIM900. O display LCD, o buzzer, o sensor e os Led s são ligados à placa através de cabos também.
52 Fluxograma Geral do Sistema Figura 5.3 Fluxograma do Projeto (Fonte: Autor) 5.2 Elaboração do Circuito Após determinar o que terá no projeto e ser feito o esquema do projeto o software Proteus foi utilizado para simulação do funcionamento do circuito e para projetar a placa.
53 Proteus ISIS 7.7 Professional O software ISIS permite o desenho de circuitos empregando um entorno gráfico no qual é possível simular os componentes e realizar a simulação do seu funcionamento sem correr o risco de ocasionar danos aos circuitos. Nelo foi montado o circuito do projeto contendo praticamente todos os componentes, com exceção do sensor de gás que foi simulado por um potenciômetro e o modulo GSM que foi simulado a partir de um Led. A Figura 5.3 ilustra a simulação realizada no software ISIS. Figura 5.3 Simulação do projeto no software ISIS (Fonte: Autor) Para realizar a simulação no software ISIS foi necessário realizar a programação do microcontrolador PIC16F877A que será apresentada a seguir no 5.3 Escrita do Código Fonte Proteus ARES 7.7 Professional Com o software ARES é possível projetar o circuito e as trilhas da placa de circuito impresso (PCB). O principal cuidado que se deve ter no momento de planejar a placa são as ligações das trilhas dos componentes para não ocorrer um curto
54 54 circuito e ocasionar o mau funcionamento da placa. Na Figura 5.4 é mostrada a placa projetada no software ARES. Figura 5.4 Placa projetada no software ARES (Fonte: Autor) 5.3 Elaboração do Código Fonte para o Microcontrolador PIC Para realizar a simulação no software ISIS foi necessário elaborar o código fonte do projeto, esta programação contém todas as funções do protótipo, e foi gravada no PIC16F877A pelo PICKit 2. Para gerar o código em.hex foi utilizado o PIC C Compiler, aos poucos o código fonte foi sendo gerado para o devido funcionamento dos componentes.
55 Escrita do Código Fonte A seguir será explicada a escrita do código fonte, com as funções do programa para o devido funcionamento do projeto com todos seus componentes. Figura 5.5 Código Fonte Parte I (Fonte: Autor) Na Figura 5.5 é mostrado o início da escrita do código fonte, onde as bibliotecas necessárias para o funcionamento do programa foram declaradas. Biblioteca do microcontrolador PIC16F877A, a biblioteca para o display LCD criada pelo Fabio Pereira com alterações do autor para utilização dos pinos do microcontrolador, a função criada para a ativação do modem GSM SIM900. O uso da diretiva #fuses que serve para definir as configurações do PIC. Por exemplo, a configuração da serial que ele usará ou a velocidade do clock usado. E a definição do valor do nível normal e do nível perigoso, estes valores foram definidos em testes onde o protótipo foi ligado e verificado o nível do gás no ambiente normal e no ambiente com vazamento de gás. Figura 5.6 Código Fonte Parte II (Fonte: Autor)
56 56 Na Figura 5.6 é mostrada a parte do código onde se definem alguns pinos do microcontrolador onde estão conectados os componentes: modem GSM SIM900, o buzzer, o backlight do display LCD e os Leds. Mostra a declaração da variável valor que foi usada para a leitura do sensor de gás no canal ADC do PIC16F877A. E também mostra as funções para a leitura do canal ADC e a função do backlight do LCD. Figura 5.7 Código Fonte Parte III (Fonte: Autor) A Figura 5.7 ilustra a função do tempo que foi criada para realizar uma contagem regressiva de 1 minuto para o aquecimento do sensor de gás e estabilização para a leitura do GLP, este tempo é obrigatório para o funcionamento correto do sensor de gás. E a Figura 5.8 abaixo mostra o programa principal do projeto, onde está a configuração do canal ADC, a rotina do backlight, a rotina do LCD, a rotina do tempo, a ativação dos pinos do modem GSM. O programa após a contagem regressiva de 1 minuto faz a leitura do sensor e exibe este valor no display LCD, se o valor medido for menor que o nível normal (menor que 35 ppm) o programa entra na primeira condição que acionará o LED verde e exibirá mensagem no display. Se o valor for entre o nível normal e o nível perigoso (maior que 180 ppm) a segunda condição irá acionar o LED amarelo, exibirá mensagem no display e emitirá um aviso sonoro. E por ultimo se o valor for maior que o nível perigoso, o programa entrará na terceira condição acionando o LED vermelho, exibindo mensagem no display, emitindo aviso sonoro e enviando SMS para o celular previamente cadastrado na função do modem GSM explicada na Figura 5.9.
57 Figura 5.8 Código Fonte Parte IV (Fonte: Autor) 57
58 58 Conforme mostrado na Figura 5.6 o código do programa principal é onde todas as funções necessárias são chamadas e juntas fazem com que o programa funcione conforme é mostrado na Figura 5.3 o fluxograma. A função criada para o acionamento do modem GSM SIM900 é mostrada na Figura 5.9, nesta função é onde os comandos AT para o funcionamento do modem são dados, o comando principal desta função é o AT+CMGF=1 que é o comando para o envio do SMS, logo em seguida é utilizado o comando AT+CMGS= que determina o número do celular para onde a mensagem será enviada. E por ultimo é inserida a mensagem a ser enviada. Figura 5.9 Código Fonte do Modem GSM (Fonte: Autor)
59 Compilação e Gravação do Código Fonte A compilação do código fonte foi realizada no software PIC C Compiler, a Figura 5.10 ilustra o momento da compilação do código onde o software dá algumas informações sobre a compilação. É mostrado o tempo de compilação, o número de linhas do código, se ocorreu erros, e a porcentagem da memória do microcontrolador que o programa irá utilizar de memória ROM e RAM. Figura 5.10 Tela do PIC C Compiler (Fonte: Autor) A gravação do código fonte foi realizada com a utilização do PICKit 2 que é descrita no Utilização do Kit de gravação PICKit2. É um procedimento simples, com o PIC16F877A encaixado no soquete ZIF é só conectar o cabo USB no computador e executar o software do PICKit 2, onde é carregado o código.hex e gravado no microcontrolador. 5.4 Montagem do Protótipo A montagem do protótipo foi feita em uma caixa de acrílico que foi reutilizada de uma caixa de bombons, nesta caixa foram feitos os furos para os encaixes dos componentes do projeto e para parafusar a placa e o display LCD na caixa. Foram feitos alguns pares de cabos para as ligações do display LCD, do buzzer, dos LEDs e do regulador de tensão. Este regulador de tensão foi colocado fora da placa,
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA E CIÊNCIAS SOCIAIS APLICADAS CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO ANDRÉ JOSÉ MARTINS DE SOUZA CONTROLE E AUTOMAÇÃO DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL POR TELEFONE