Microcontroladores

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CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS TECNOLOGIA EM AUTOMAÇÃO INDÚSTRIAL JEAN FERNANDO DOS SANTOS VIEIRA

MICROCONTROLADORES Aplicação

Londrina 2009

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JEAN FERNANDO DOS SANTOS VIEIRA

MICROCONTROLADORES Aplicação

Trabalho apresentado à Universidade Norte do Paraná UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção de média bimestral na disciplina de Microcontroladores. Orientador: Prof. Miguel Angel Chincaro Bernuy

Londrina 2009

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1 INTRODUÇÃO Primeiramente o que é um microcontrolador? Também chamado como “computador num chip” ou de controlador embutido, o microcontrolador é um circuito integrado de custo baixo que contém na sua síntese: memória programável somente para leitura (PROM), que armazena permanentemente as instruções programadas; memória de acesso aleatório (RAM), que trabalha armazenando “variáveis” utilizadas pelo programa; unidade de processamento central (CPU), que interpreta e executa comandos desse programa. Existem também dispositivos de entradas e saídas, que tem a finalidade de controle de dispositivos externos ou de receber sinais pulsados de chaves e sensores. Esses componentes se encontram num mesmo circuito integrado. Os microcontroladores são encontrados sem qualquer programação, sendo posteriormente codificados e programados pelo projetista com um software exclusivo para uma determinada tarefa. Algumas das vantagens de utilizar microcontroladores na criação de um produto são os níveis de armazenamento reduzidos, por substituir vários componentes; montagem simples do produto resultando assim na redução do tempo de fabricação; maior flexibilidade e adaptação, pois as características do produto são programadas no microcontrolador e não colocadas nas unidades físicas do componente eletrônico; m  odificações rápidas no produto e seu desenvolvimento por alteração do programa e não do hardware eletrônico. Algumas

aplicações

dos

microcontroladores

são

nos

eletrodomésticos, nos sistemas de alarme, nos subsistemas dos automóveis, nos equipamentos médicos, instrumentação eletrônica, telecomunicações, qualquer tipo de dispositivo que necessite de algo que controle suas ações e armazene funções.

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2 OBJETIVOS O objetivo deste trabalho é de realizar um estudo sobre os principais métodos

e

destacar

a

funcionalidade

e

a

gama

de

aplicações

dos

microcontroladores no ramo da Automação Industrial, e como implementa-lo no processo de controle de acesso. Para a obtenção desse objetivo será necessário a realização de estudos complementares sobre o assunto. Serão apresentados diferentes

hardwares

e

sistemas

que

demonstram

o

uso

de

projetos

microcontrolados. Esse trabalho mostra também um potencial para uso comercial e na área de segurança.

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3 CONTROLE DE ACESSO Para implantar um controle de acesso em rede, algumas definições deverão ser pré-estabelecidas: a informação a ser autenticada, a interação do usuário e quais os dispositivos usados, o microcontrolador, a rede e o protocolo de comunicação. Se fará necessário o estabelecimento de uma senha, dados para autenticação, para liberar o acesso do usuário ao ambiente oportuno. Os dispositivos usados para esse projeto devem ser: um teclado, no qual se inserirá a senha; um buzzer, para sonorizar as confirmações de acesso; um display tipo LCD, para mostrar mensagens. Esse serão os elementos que garantiram a interface do usuário com o sistema. Para gerenciar esses periféricos será utilizado um Microcontrolador, que atenderá às solicitações dos usuários e do servidor da rede, deverá ter um número reduzido de pinos, ter memória suficiente para comportar o software que trabalhará como um sistema operacional, ter paradas necessárias para o controle dos diversos periféricos, além de ser barato. O microcontrolador que se aplica a essas características a partir de estudos é o PIC16F628. O padrão escolhido para transmissão de informações pela rede foi o RS-485, que será abordado posteriormente, assim como o protocolo de comunicação. 3.1 MICROCONTROLADOR PIC16F628 O PIC16F628 é um microcontrolador CMOS de 8 bits e 18 pinos da Microchip, que contém as seguintes características (MICROCHIP, 2003): • 35 instruções; • Clock de 20 MHz; • Memória Flash de 2.048 x 14 bits, para armazenamento do programa; • Memória RAM de 224 bytes, para registradores e variáveis de programa; • Memória EEPROM de 128 bytes, para dados não voláteis; • Interrupção externa, do timer, de transição de bits da porta B e de término de escrita na EEPROM; • 16 registradores especiais;

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• 8 níveis de pilha; • Modos de endereçamento direto, indireto e relativo; • 16 pinos de entrada e saída em 2 portas de comunicação; • 2 comparadores analógicos; • 3 timers; • Saída com modulação da largura de pulsos; • Watchdog Timer (Temporizador que dispara um reset no PIC).

Figura 1 - Diagrama de pinos do PIC16F628

3.2 PADRÃO DO BARRAMENTO RS-485 É necessário para transmitir informações, estabelecer o meio físico para transferência dos sinais, a taxa de transmissão, distância entre os elementos interconeção, entre outros. São parâmetros importantes e que devem ser analisados como um padrão de transferência de dados. O RS-485 é um padrão para transferência de dados em uma rede halfduplex multidrop, ou seja, uma rede de múltiplos transmissores e receptores conectados ao mesmo barramento, fazendo que somente um elemento transmita dados de cada vez. Além dessa característica mencionada podem-se citar outras características importantes: • Define o estado lógico a partir da diferença de potencial entre os dois cabos; • Operação com somente uma fonte de alimentação de +5 V; • Barramento com faixa em modo comum de -7 V a +12 V; • Até 32 transceptores (carga unitária); • Taxa máxima de 10 Mbps para transferência de dados (com

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condutores de aproximadamente 12 m); • Comprimento máximo dos condutores de aproximadamente 1.200 m (com taxa de 100 kbps).

3.3 CIRCUITO INTEGRADO DS3695 O circuito integrado DS3695 da National Semiconductor é um conversor de sinais (transceptor) compatível com o padrão RS-485, convertendo o sinal do barramento RS-485 em um sinal de 0 a 5 V, que sera aplicado aos pinos do microcontrolador. Além dos pinos para conexão ao barramento RS-485 (pinos 6 e 7) e da alimentação com +5 V (pinos 5 e 8), o chip contém pinos para transferência (pino 4) e recebimento (pino 1) de sinais, com os respectivos sinais de habilitação (pinos 2 e 3). A Figura 2 mostra a pinagem completa e o diagrama de blocos deste chip (NATIONAL SEMICONDUCTOR, 1998).

Figura 2 – Pinos do DS3695.

A saída para o barramento RS-485 possibilita ao circuito integrado desconectar-se de forma que libere o barramento para outro transmissor. 3.4 HARDWARE Alguns elementos importantes do hardware foram estabelecidos na delimitação do projeto. Com base nestes dados e nas informações dos manuais dos fabricantes, foi possível definir o circuito completo do controle de acesso. O diagrama esquemático do controle de acesso pode ser visto na Figura 4.

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Figura 3 - Estrutura do barramento de comunicação

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4 CICLO DE FUNCIONAMENTO Inicialmente o projeto tem a possibilidade de conexão com 32 elementos no barramento de comunicação, sendo 1 servidor e 31 dispositivos para controle de acesso aos ambientes. O barramento será construído seguindo-se o padrão RS-485, considerando suas especificações. O servidor utilizará uma porta de comunicação serial RS-232 para se comunicar com o barramento, onde será necessário o emprego de um conversor RS-232 para RS-485 de modo a adequar os sinais elétricos. A estrutura descrita pode ser vista na Figura 4.

Figura 4 – Esquema do barramento de comunicação

A comunicação será iniciada sempre do servidor e depois pelo dispositivo destino que poderá responder à solicitação, não ocorrendo assim colisões no barramento. Toda informação aplicada ao barramento, seja pelo servidor seja pelo dispositivo remoto, deverá conter um serviço. Simplesmente para distinguir qual serviço pertence ao servidor e qual pertence ao dispositivo. O servidor fará, periodicamente, uma varredura no barramento, solicitando a cada dispositivo a existência de alguma informação para transferência. O dispositivo destino responderá imediatamente ao servidor com uma resposta negativa, caso não tenha existido nenhum pedido de serviço de comunicação. Quando a linha de execução do servidor (thread) concluir a tarefa do serviço solicitado pelo cliente, o servidor envia, na próxima varredura, a resposta no intervalo de tempo destinado ao dispositivo solicitante. Caso o servidor não receba resposta do dispositivo em um tempo-limite, o servidor continua a varredura nos

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outros dispositivos, caso o dispositivo não responda um certo número de vezes, devesse gerar um alarme indicando que o dispositivo pode estar apresentando falhas na comunicação. Para o dispositivo que solicitar comunicação com o servidor, O mesmo informa ao dispositivo que está processando sua solicitação. Caso ocorra erro, uma certa quantidade de vezes, o servidor deverá alterar o status do dispositivo de destino como offline, gerando um alarme para o administrador do sistema, no entanto, se a solicitação de autenticação de senha de usuário for confirmada ao dispositivo solicitante é informado ao servidor que o serviço enviado foi recebido e será executado liberando a passagem, abrir uma porta por exemplo. Baseado nestas definições é apresentado nas figuras 5 e 6 o comportamento do servidor e do dispositivo destino.

Figura 5 – Comportamento do Servidor.

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Figura 6 – Comportamento do Dispositivo destino

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5 CONCLUSÃO Inicialmente foi definido o microcontrolador a ser utilizado na construção do controle de acesso e as características da rede, constituída ,originalmente, por um barramento RS-485. Em seguida, foi explicada a forma de comunicação utilizada no tráfego de informações entre os diversos nós da rede, ou seja, os dispositivos de acesso e o servidor. Este servidor de controle é um software com múltiplos eventos, implementado em Java, pois possui um sofisticado conjunto de primitivas de sincronização. O processo é divido em três tarefas cruciais: a primeira tarefa é responsável pela sincronização e verificação de serviços, a segunda é responsável pelo processamento dos serviços requisitados pelos dispositivos e a terceira é responsável pelo envio das respostas dos serviços processados. Espera-se a possibilidade de troca de informações entre dispositivos e servidor, comprovando o funcionamento do protocolo de comunicação. Com o desenvolvimento deste projeto, o controle de acesso é facilitado devido à centralização das informações no servidor. Com a rede de controle de acesso existe a possibilidade que os dispositivos microcontrolados estejam distribuídos em uma rede com até 1.200 metros, atendendo às necessidades de pequenas a grandes empresas. Com o uso de um microcontrolador da Microchip é possível construir um controle de acesso com características desejáveis e custo reduzido.

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REFERÊNCIAS ESCOLA SECUNDÁRIA EMÍDIO NAVARRO – ALMADA. Aplicação de microcontroladores. Versão [online] disponível em: . Acessado em 29 de Julho de 2009. BRAIN, Marshall. Como funcionam os microcontroladores. Versão [online] disponível em: Acessado em 30 de Julho de 2009. TREVISAN, Pedro V. T. Versão online disponível em: . Acessado em 30 de Julho de 2009. SILVA, Edmar Edilton da; BRUNORO, Marcelo. Rede de acesso microcontrolado. Scientia - Revista do Centro Universitário Vila Velha. Vila Velha, ES. Vol. 1, pág. 141155, jan./dez. 2005.