Post on 03-Jan-2016
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RELATÓRIO – PROJETO DE MECATRÔNICA
1 . Capa
a. Folha 1 (Em anexo)
b. Folha 2 (Em anexo)
Siglas e abreviaturas
AC....................................................Corrente Alternada.
DC....................................................Corrente Contínua.
PCB..................................................Placa de Circuito Impresso
VAC.................................................Volt em Corrente Alternada
Hz.....................................................Hertz ( ciclo por segundo)
mA....................................................Miliampere
Vp.....................................................Tensão de pico
Vond.................................................Tensão de ondulação
R................................................Resistor ou resistência
V...............................................Volt
I.................................................Corrente
D...............................................Diodo
C...............................................Capacitor
U...............................................Circuito Integrado
NA............................................Normalmente Aberta
LED..........................................Diodo Emissor de Luz
1
Sumário
1.Objetivo..............................................................................................03
2.Introdução...........................................................................................03
2.1. Funcionamento................................................................................05
2.1.1. Clock............................................................................................05
2.1.2. Flip-flop.......................................................................................05
2.1.3. Funções.......................................................................................06
3. Desenvolvimento..............................................................................08
4. Projeto Elétrico.................................................................................09
4.1. Esquema elétrico placa principal...................................................09
4.2. Esquema da fonte..........................................................................10
4.3. Esquema do clock.........................................................................10
4.4. Esquema das funções....................................................................11
4.5. Esquema do BIP............................................................................11
4.6. Placas............................................................................................12
4.6.1. PCB principal............................................................................12
4.6.2.PCB frontal.................................................................................12
5. Cálculos...........................................................................................13
5.1. Fonte.............................................................................................13
5.2. Clock............................................................................................14
5.3. Display.........................................................................................14
5.4. Painel frontal................................................................................15
5.5. BIP...............................................................................................16
6. Protótipos........................................................................................16
6.1. Confecção da placa......................................................................16
6.2. Montagem....................................................................................18
7. Lista de materiais...........................................................................22
2
7.1. Materiais para o BIP....................................................................22
7.2. Materiais PCI principal...............................................................22
8. Orçamento......................................................................................23
9. Resultados......................................................................................24
10. Conclusão....................................................................................25
11. Anexos.........................................................................................26
1. Objetivo:
3
Construir um cronômetro digital utilizando somente portas lógicas, com três
dígitos para contar de 0:00 até 9:59 minutos e precisão de 2%
aproximadamente em relação aos de uso comercial, com funções de play,
pause e reset, montado numa placa específica para o projeto, tendo como um
dos objetivos a aplicação prática dos conhecimentos de eletrônica Digital e
Analógica abordados em sala de aula. Além do incentivo à pesquisa de
assuntos fora do contexto da sala de aula e busca por novas tecnologias e
métodos que possam ser aplicados nele.
2. Introdução:
Foram utilizados fundamentos de Eletrônica analógica e Circuitos Digitais,
tais como portas lógicas, flip-flop, contadores, divisores, decodificadores,
conversores AC-DC, retificação e filtragem.
No aspecto físico usamos técnicas de confecção de placas de circuito impresso
e soldagem.
Bem, inicialmente parecia ser simples o projeto, entretanto durante a fase de
elaboração do circuito elétrico verifiquei que determinadas ações dependiam
de outras, porém a elaboração do diagrama em blocos facilitou muito a
visualização das ações das funções do cronômetro. Veja o diagrama.
Não houve a confecção de um protótipo, pois com o programa Proteus pude
observar o funcionamento do projeto e aplicar as melhorias necessárias e esta
fase de construção física foi eliminada. Quase tudo foi rodado com o auxilio
dele.
O único protótipo feito na protoboard, com auxílio de um frequencímetro e
uma fonte regulável, foi o clock porque o programa não conseguiu simulá-lo.
4
A parte mais difícil foi a confecção da PCB, mas depois de algumas
observações e testes feitos anteriormente por mim, optei por usar o método de
transferência do desenho por meio de alta temperatura, usando para isto um
ferro de passar roupas e o desenho impresso em papel glossy; por não ser um
processo profissional a placa ficou sem máscara de componentes e de solda.
Quanto aos displays eu pensei em montar-los com leds individuais, pois assim
conseguiria maior dimensão dos números, porém, o custo foi muito elevado e
não compensaria tal trabalho. Após algumas observações e estudos, como por
exemplo, a proporção das dimensões entre eles e o gabinete, acabei por
escolher os da marca PARALIGHT de 56 mm.
A base de tempo de um relógio ou cronômetro é uma das etapas da
montagem,a qual deverá ser levada em consideração a sua estabilidade e a
pureza dos pulsos. A princípio pensei em utilizar a freqüência da rede e dividi-
la para obter 1 (um) Hertz, porém, por não ter muita precisão e confiabilidade,
pois os ruídos vindos através da rede poderiam interferir na contagem, decidi
utilizar um circuito cuja configuração é muito utilizada comercialmente.
O circuito não é complexo; é excelente para o propósito da montagem.
Veja no esquema elétrico do clock o desenho definitivo.
Os botões de comandos são de contatos momentâneos, pois usamos flip-flop
para tais funções.
2.1- Funcionamento
5
2.1.1- Como funciona o Clock:
X1 é um cristal de quartzo ou outro tipo criado em laboratório cuja freqüência
é precisamente de 32.768Hz ou 32,768khz. O circuito integrado 4060 possui
um oscilador interno que passará a oscilar na freqüência do circuito oscilante
externo, no nosso caso será 32.768Hz. Está será a freqüência fundamental
gerada, porém, temos que dividi-la até obtermos a desejada. Note que o CI
4060 faz a divisão até no máximo, veja no datasheet (folha de dados) 2^14
(=16.384), cuja saída está no pino 3.
Então se 32.768 ÷ 16.384 = 2 obtivemos 2 Hertz na saída do 4060 e , como
precisamos de 1 Hz para o cronômetro, basta dividir agora os 2Hz por 2 para
obtermos o tão esperado clock de 1 Hertz. Está é a função deste CI 4013 no
circuito, com configuração de Flip-flop tipo D, note que entra 2 Hz e sai 1Hz.
Basicamente aqui está concluída uma das etapas do cronômetro digital.
2.1.2- Flip-flop (tipo D):
O flip-flop ou latch é um circuito capaz de armazenar os dois estados de níveis
lógicos, sendo também usado como memória. Seu funcionamento é como uma
chave que trava seus contatos quando acionados, porém neste caso, não há
acionamento mecânico, note no diagrama esquemático que há duas opções de
saída (Q e Q barrado) e as quais invertem quando é mudado o esta lógico da
entrada.
Outra função do flip-flop do tipo D é como contador de impulsos. Esta função
ele faz na saída do clock, veja na figura 1.
6
Figura 1
2.1.3- Funções:
Vamos tratar dos comandos de inicio, reset e pausa do nosso cronômetro
digital. Sendo um circuito com tecnologia CMOS eu resolvi também incluir
no aparelho um modo digital de comandar a partida e a pausa da contagem,
sendo o reset feito diretamente nas entradas dos contadores 4029.
Trata-se de mais um flip-flop tipo D. Desta vez ele está com a função de
memória de um bit. A cada mudança de estado em sua entrada ocorre uma
também em suas saídas e assim permanece até o próximo comando.
O pino correspondente ao reset é o 4 do U8:A. Nível alto (H ou 1) zero e nível
baixo (L ou 0) seta. Veja no pino 4 do referido CI um capacitor eletrolítico de
10uF; sua função é de garantir que tudo comece com zero, pois quando o C2
está descarregado ele é momentaneamente um curto e com isso leva 5 Volts
( nível alto) ao pino 4 (reset).
O start e pausa são acionados mudando os estados lógicos do contador 4029,
no pino 5 ( CI ) Carry In através da memória F-F D feito pelo circuito
integrado 4013.0 volt habilita a contagem; porém 5 Volts pausa ( hold ), na
figura 2 temos o diagrama interno do circuito integrado 4029
7
Figura 2
8
3. Desenvolvimento
Para começar a exportar as idéias do campo imaginário para o físico,
primeiramente construímos o diagrama abaixo:
Diagrama em blocos
Figura 3
Neste bloco temos o resumo geral do cronômetro.
Fonte:9+9 VAC/500mA
Base de tempo:Cristal oscilador de 32.768 kHz + divisor 2^14.Freqüência de saída:2 Hz
Flip-flopDivisor por 2.Saída:1 Hz
Contador 1:Segundos
Contador 2:Segundos
Contador 3:Minutos
Decodificador BCD 7 segmentos
Decodificador BCD 7 segmentos
Decodificador BCD 7 segmentos
DisplayDisplayDisplay
Retificador Filtro
Clock ÷ 60
Clock ÷10
Reset
STOP, STARTFlip-flop D
RESET
Regulador 9 Volts
9
4. Projeto Elétrico
Abaixo estão os esquemários de cada etapa. Eles foram feitos e simulados no
programa proteus / Isis e depois de aprovados roteamos as placas no Proteus /
Ares, com exceção do clock.
4.1- Esquema elétrico da placa principal completo
A 7
B 1
C 2
D 6
LT 3
BI 4
LE/STB 5
QA13
QB12
QC11
QD10
QE9
QF15
QG14
U1
4511
A 7
B 1
C 2
D 6
LT 3
BI 4
LE/STB 5
QA13
QB12
QC11
QD10
QE9
QF15
QG14
U2
4511
A 7
B 1
C 2
D 6
LT 3
BI 4
LE/STB 5
QA13
QB12
QC11
QD10
QE9
QF15
QG14
U3
4511
A 4QA6
B 12QB11
C 13QC14
D 3QD2
CI 5CO7
CLK 15
PE 1
B/D 9
U/D 10
U4
4029
A 4QA6
B 12QB11
C 13QC14
D 3QD2
CI 5CO7
CLK 15
PE 1
B/D 9
U/D 10
U5
4029
A 4QA6
B 12QB11
C 13QC14
D 3QD2
CI 5CO7
CLK 15
PE 1
B/D 9
U/D 10
U6
4029
1
23
U7:A
4081
R110k
R210k
R310k
D1
1N4148
D2
1N4148
D5 Q 1
CLK3
Q 2
R4
S6 U8:A
4013
R4
10k
C122n
R610k
R510k
C210u
5
64
U7:B
4081
D31N4148
inicio / pausa
reset
D 9Q13
CLK 11
Q12
R10
S8 U8:B
4013
RS 11
MR 12
Q37
Q45
Q54
Q66
Q714
Q813
Q915
Q111
Q122
Q133CTC 9
RTC 10
U9
4060
R7
10MR8220k
C439p
C339p
X1
CRYSTAL
8
910
U7:C
4081
12
1311
U7:D
4081
1
23
U10:A
4081
5
64
U10:B
4081
12
J1
CONN-H2
p/ O BIP
Figura 4
10
4.2-Esquema da fonte
TR1
Transformador9+9 V
D1
1N4007
D2
1N4007
C12200u/25V
VI1
VO3
GN
D2
U17809
VI1
VO3
GN
D2
U27805 +5
+9
C4
100uC5100u
GND
C2100n
C3100n
Figura 5
4.3-Esquema do clock
Figura 6
D9
Q13
CLK11
Q12
R10
S8 U8:B
4013
RS11
MR12
Q37
Q45
Q54
Q66
Q714
Q813
Q915
Q111
Q122
Q133
CTC9
RTC10
U9
4060
R7
10MR8220k
C439p
C339p
X1
CRYSTAL1Hz
11
4.4-Esquema das funções inicio, pause o hold
D5
Q1
CLK3
Q2
R4
S6 U8:A
4013
C122n
R610k
R510k
C210u
reset
5V
Carry In (CI)
Preset/Enable (P/E)
Figura 7
4.5-Esquema do BIP
Q1
BUZ1
BUZZER
R1220R
R2
4k7
9 V
p/U10 (pino 4)
BC 548
Figura 8
12
4.6-Placas:
4.6.1-Placa PCI principal
Figura 9
4.6.2-Painel frontal
Figura 10
13
5. Cálculos
5.1-Fonte
A fonte de alimentação do cronômetro foi dimensionada para ser utilizada com display, de 56 mm, daí a saída de 9 volt irá alimentar os diodos do display; caso seja utilizado um display menor, poderá fazer uso dos 5 volts.
Consumo total aproximado do circuito do cronômetro: Displays: 210 mA; CI’s: 10mA para cada, total de 100 mA; Led’s: 40 mA; Sinal sonoro: 50 mA Outros: + 10%; Total = 440 mA;
Para consumo máximo de 440 mA:Transformador 9 + 9 Vac / 500 mA;Vp = 25.5 Vac, onde Vp = tensão de pico.Vcc = (Vp/2) – (Vond/2).Vond = I/ f x C, onde f = freqüência, C = capacitância e Vond = Tensão de ondulação.Vond = (0.5) / 120 Hz x 2200 x 10^-6.Vond = 1,9 V.Vcc = Vp/2 - 0,95 V.Vcc = 11.8 V.Todos os valores acima são aproximados.Especificações mínimas para os diodos retificadores da fonte:
Tensão reversa (PIV) maior ou igual a 25.5 V. Corrente maior ou igual a 250 mA.
14
5.2-Clock (base de tempo)
Divide-se a freqüência de oscilações por um dos fatores de divisão do 4060,
assim:
32.768 Hz / 2^14 = 2 Hz.
Agora se divide o resultado por 2:
2 Hz / 2 = 1Hz
5.3-Display de 7 seguimentos
Segundo a Para Light, fabricante do display, a corrente dos segmentos é em
torno de 10 a 20 mA, sob uma diferença de potencial de aproximadamente 9
V, então considerei o valor mínimo, 10 mA.
No caso deste modelo, apenas um resistor será o responsável pela corrente
em cada display, portanto 7 segmentos x 10mA = 70 mA. Assim sendo,
R = V \ I.
R = 9 / 70;
R = 130 Ohms.
Considerei um valor comercial de 100 Ohms para os RX do cronômetro.
15
5.4-Painel frontal
Serão utilizados 3 displays de sete segmentos com catodo comum.
Dimensões:
Altura: 70 mm; comprimento: 50 mm.
Caixa para alojamento do cronômetro:
Patola. Modelo PB 115.
Dimensões da caixa:
PB 115: 50 x 112 x 160 (profundidade x largura x
comprimento).
16
5.5-Dimensionamento do BIP
Por não ter os dados do buzzer, eu considerei cerca de 20mA para ele.
Q1 está configurado como chave, então o ßcc = 10:
Rc = Vcc - Vbuzzer / Ic, Rc = 9 - 5 / 20, Rc = 200 Ohms;
Ib = Icc / ßcc, Ib = 20 / 10 , Ib = 2mA e Rb = 8,3 / 2, Rb = 4,15 kOhms.
Para com valores comerciais dos resistores escolhi R1 = 220 Ohms e
R2 = 4,7 k.
6. Protótipo
6.1-Confecção das placas:
Começamos com a fabricação da PCB através de algumas impressões feitas
em uma impressora a laser no papel Glossy e logo após transferindo os
desenhos por meio de um ferro de passar roupa muito quente. Depois de
esfriar a placa, submergimo-la na água morna com detergente de lavar pratos
neutro e retiramos o papel com muito cuidado para não sair as trilhas e ilhas
do cobre, como demonstrado nas fotos.
Posicionamento do papel sobre a placa na foto 1.
17
Foto1
Retirada do papel. Este processo é mais eficaz quando feito com a PCI dentro
da água.
Foto2
Foto3
18
A Limpeza do cobre para o próximo processo, a corrosão.
Foto4
Finalmente imergindo no Percloreto de ferro para a retirada do cobre.
Foto 5
6.2-Montagem
Agora com os componentes em mãos, mais ferro de solda e solda, montamos
as placas. Antes foi aplicado verniz verde para proteção do lado cobreado
contra oxidações e umidade.
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Começando pelo painel frontal. Soldando o display e demais componentes.
Foto 6
Foto 7
Placa principal e frontal conectadas com cabos flexíveis.
Foto 8
20
Foto 9
Foto 10
Projeto finalmente pronto e alojado no gabinete.
Foto 11 foto 12
21
O circuito de retificação e filtragem foram alojados em uma caixa separada,
como visto na foto 13.
Foto 13
O sinalizador está em uma placa perfurada porque o circuito era muito
simples, dispensando uma confecção de uma placa. Foto 14.
Foto 14
22
7. Lista de Materiais
7.1- Lista de componentes p/ o BIP:
R1..............220 Ohms;
R2..............4,7 kOhms;
Q1............. BD 548 (transistor NPN de uso geral);
BUZ1........ Buzzer contínuo para 5 Volts.
7.2- Lista de componentes da PCI principal e fonte:
U1 a U3.......4511 ( decodificadores BCD);
U4 a U6.......4029 ( contadores);
U7 e U10......4081 (porta E);
U9.................4060 (oscilador e divisor);
U8.................4013 ( flip-flop);
R1 a R6.........10 kOhms ( resistores: marrom preto e laranja);
R7..................10 Mohms ( resistor: marrom preto e azul);
R8..................220 kOhms (resistor: vermelho, vermelho e amarelo);
C3 e C4.........39 pF (capacitores disco cerâmicos);
D1 a D3.........1N4148 ( diodos de uso geral);
Caixa Patola...PB115;
Caixa Patola...CF 086;
2 Placas de fenolita ( 10x15cm);
3 displays (sete segmentos/catodo comum).......( C-2301E);
2 chaves NA...........( PBS-10B-2);
1 transformador........9 + 9 Volts / 500mA;
Outros ( fios, solda, etc.)
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8. Orçamento:
Placas de fenolita: R$ 6,00;
Circuitos integrados CMOS: R$11,50;
Display de sete segmentos: R$ 48,00;
Regulador de tensão: R$ 1,10;
Resistores: R$ 1,00;
Diodos: R$ 0,15;
Trafo.: R$ 12,30;
Capacitores: R$ 2,30;
Caixas Patola: R$ 20,00;
Buzzer: R$ 2,00;
Rabicho paralelo: R$ 3,20;
Chaves NA: R$ 2,40
Total atual: R$ 109,95
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9. Resultados
Os displays da PARALIGHT, com 70 mm de altura total e 48 de largura
foram bem alojados no painel frontal. Quanto a PCI, ela foi confeccionada
com o método de transferência como falado no inicio, usando para isto um
ferro de passar roupas e o desenho impresso em papel glossy.
O circuito da fonte foi reduzido, deixando somente as etapas de retificação e
filtragem em um gabinete separado, conectando-o à pci com plug e jack
apropriados,sendo que o regulador foi inseridos na placa principal.
Demais foram alguns ajustes adaptativos do gabinete a fim de melhorar a
estética do projeto.
Acrescentei um BIP no final dos 10 segundos restante para o término do
tempo.
Este cronômetro não para a contagem no final dos 10 minutos e sendo de
apenas três dígitos, mostra somente os segundos e minutos.
Todos os testes foram bem sucedidos, desde o primeiro até o último feito.
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10. Conclusão
Eu esperava que no final da montagem, durante os testes, algo necessitasse de
correção, porém tudo funcionou adequadamente desde a primeira tentativa.
Fiquei surpreso com a eficiência de todo o conjunto.
Considero uma montagem muito boa. Ela foi capaz de adicionar muitos
conhecimentos e tornar-me mais experiente na elaboração de um projeto,
desde a sua elaboração até a finalização.
Tomei algumas ações para melhorar o desempenho do cronômetro, tais como:
optar por um clock a cristal para maior precisão, uso de display em
conformidade com o painel frontal, funções de comandos digitais,
compactação do circuito, tive cuidado com as medidas para o encaixe mais
perfeito possível, entre outras.
11. Anexos
Tabela 1
26
12. Referências Bibliográficas
Revista ELÉCTRON. Ed. Fittipaldi. Edição 68, Agosto de 1997.
Revista Eletrônica Total. Ed. Saber. Edição 104, Dezembro de 2004.
Portal Saber Eletrônica (internet).
Fórum Mecatrônica de Garagem. (internet).
Apostila Cta eletrônica. Ed. Escola Cta Eletrônica, Abril de 2009.
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