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UNIVERSIDADE TECNOLOGICA FEDERAL DO PARANA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE INFORMATICA
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTACAO
EDMAR ANDERSON LANES JUNIORLUANA DO AMARAL HARADA
TARIK EKERMANN PINTO
PROTOTIPO DE DISPOSITIVO DE ABERTURA AUTOMATICA DE
VELAME RESERVA
TRABALHO ACADEMICO
CURITIBA
2009
EDMAR ANDERSON LANES JUNIORLUANA DO AMARAL HARADA
TARIK EKERMANN PINTO
PROTOTIPO DE DISPOSITIVO DE ABERTURA AUTOMATICA DEVELAME RESERVA
Trabalho Academico apresentado a Unidade Cur-ricular de Oficina de Integracao II do Curso deEngenharia de Computacao da Universidade Tec-nologica Federal do Parana como requisito parcialpara aprovacao.
Orientador: Miguel Antonio Soviersoski
CURITIBA
2009
RESUMO
LANES JUNIOR, Edmar Anderson; HARADA, Luana do Amaral; PINTO, Tarik Ekermann.Prototipo de Dispositivo de Abertura Automatica de Velame Reserva. 27 f. Trabalho Academico– Curso de Engenharia de Computacao, Universidade Tecnologica Federal do Parana. Curitiba,2009.
O paraquedismo e um esporte radical que tem pouca tolerancia a erros devido a grande velo-cidade que uma pessoa atinge em queda livre 1 e o curto espaco de tempo para reacao. Paratornar o esporte mais seguro existem varias tecnicas e dispositivos que diminuem as chancesde acidentes. Este projeto e um aprendizado sobre paraquedismo e sobre como deve ser umdispositivo eletronico capaz de salvar vidas. A equipe deseja construir um prototipo capaz dedeterminar a altura e velocidade de um paraquedista em queda livre. Essas informacoes saosuficientes para concluir se um salto esta ou nao dentro dos padroes de seguranca.
Palavras-chave: Velame reserva, dispositivo de abertura automatica, Arduino, sensor de pressao,altımetro, paraquedas.
1Utilizaremos o termo queda livre para definir um salto de paraquedas desde o momento em que o paraquedistaabandona a aeronave ate o momento em que ele comanda seu velame
ABSTRACT
LANES JUNIOR, Edmar Anderson; HARADA, Luana do Amaral; PINTO, Tarik Ekermann.Automatic Ativation Device Prototype for Reserve Canopy. 27 f. Trabalho Academico – Cursode Engenharia de Computacao, Universidade Tecnologica Federal do Parana. Curitiba, 2009.
Skydiving is an extreme sport with low tolerance to mistakes due to the high speed one getswhile freefalling 1 and the short time for reaction. To make the sport safer, there are many tech-niques and devices that could reduce the risk of accidents. This project is a learning experienceabout skydiving and about how an eletronic device capable of saving lifes should be. The teamaims to build a prototype that could determine the height and speed of a skydiver in freefall.These information would enough to determine if a jump is or is not within security limits.
Keywords: Reserve canopy, automatic activation device, Arduino, pressure sensor, altimeter,parachute.
1We’re going to use the term freefall to define a skydive from the moment the skydiver leaves the plane untilthe moment he deploy his canopy
LISTA DE FIGURAS
–FIGURA 1 PARTE TRASEIRA DO CONTEINER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8–FIGURA 2 ALCAS, TIRANTES DE PEITO E TIRANTES DE COXA . . . . . . . . . . 8–FIGURA 3 VELAME PRINCIPAL COM NOVE CELULAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9–FIGURA 4 VELAME RESERVA COM SETE CELULAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10–FIGURA 5 PARTES DE UM VELAME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11–FIGURA 6 SEQUENCIA DE ABERTURA DE UM VELAME PRINCIPAL . . . . . 12–FIGURA 7 EXEMPLO DO SISTEMA DE TRES ARGOLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12–FIGURA 8 EXEMPLO DE UM CUTTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14–FIGURA 9 FOTO DA PCI DO SCP-1000-D11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16–FIGURA 10 DESENHO DE UMA EEPROM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17–FIGURA 11 ESQUEMATICO DE UM LEVEL SHIFTER BIDIRECIONAL . . . . . . 19–FIGURA 12 FOTO DE UM ARDUINO DIECIMILA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
SUMARIO
1 INTRODUCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.1 MOTIVACAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2.2 Objetivos Especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.1 PARAQUEDAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2 DAA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.3 SENSOR DE PRESSAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4 MEMORIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.5 INTERFACE I2C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.6 LEVEL SHIFTER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.7 ARDUINO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.8 CALCULO DA ALTURA A PARTIR DA PRESSAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 CONCLUSAO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
5
1 INTRODUCAO
O paraquedismo e um esporte que consiste em saltar de uma altura grande o suficiente
para que se possa comandar um paraquedas de tecido e pousar. Os atletas geralmente saltam de
avioes a alturas entre 4.000 pes e 13.000 pes (1.200 metros e 4.000 metros), mas e possıvel saltar
de alturas diferentes e de outras aeronaves, como helicopteros e baloes. Existe um outro esporte
semelhante ao paraquedismo que se chama B.A.S.E. Jumping e consiste em saltar de objetos
fixos como predios, antenas, pontes e montanhas. Por se tratar de tecnicas e equipamentos
diferentes e serem realizados a alturas distintas, esses dois esportes nao devem ser confundidos.
A historia do esporte, na forma como se conhece hoje, teve inıcio no seculo XVIII com o
frances Jacques Garnerin, que realizou saltos de exibicao a partir de baloes por toda a Europa.
Durante a Primeira Guerra Mundial o paraquedas foi introduzido como equipamento de resgate
para pilotos de baloes de observacao. Nessa epoca os pilotos de aviao ainda eram instruıdos
a pousar sempre em sua aeronave. Em 1925 estudos inicias sobre queda livre prolongada e
estavel comecaram a ser realizados. Ja na Segunda Guerra Mundial, aconteceram as primeiras
operacoes envolvendo envio de tropas para o combate atraves de lancamento de paraquedistas,
tanto pelos aliados quanto pelo eixo. Nos anos que se seguiram, ex-combatentes e aventureiros
comecaram a saltar por divertimento e o esporte ganhou forca e se espalhou pelo mundo. Hoje
o paraquedas esta presente entre os atletas do esporte, militares de forcas especiais e e um
equipamento de seguranca para pilotos de aeronaves. (POYNTER; TUROFF, 2003)
Atualmente o esporte e regulamentado por uma federacao internacional, a Federacion
Aeronautique Internationale (FAI), que estabelece regras dos eventos de esporte aereos nos
paıses membros e promove a busca de proficiencia e seguranca na aeronautica. Varios paıses
tem organizacoes filiadas a FAI que representam o esporte e realizam eventos e competicoes.
No Brasil existe a Confederacao Brasileira de Paraquedismo (CBPq), que agrupa 22 federacoes
estaduais e representa todos os atletas do paıs.
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1.1 MOTIVACAO
A principal motivacao para este projeto e que ele integra nao so conhecimentos academicos
como fısica e eletronica, mas tambem o paraquedismo. Sendo assim, este projeto e um desafio
diferente, exige aprendizado e busca de informacoes que nao se encontram facilmente e deve
respeitar algumas condicoes para que possa se adequar as normas do esporte. Temos interesse
em aprender sobre comunicacao de dispositivos eletronicos e programacao de microcontrola-
dores, pois precisaremos desse conhecimento em futuros projetos. O dispositivo que desejamos
projetar deve operar em tempo real e lidar com interrupcoes, que sao conceitos novos para a
equipe. Tambem se fara necessario o estudo da mecanica dos fluidos para garantir que esse
sistema nao tera erros que invalidem o funcionamento do projeto. Enfim, este projeto acima de
tudo e um grande desafio aos nossos limites.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo geral deste projeto e produzir um prototipo de DAA capaz de tomar a decisao
de abrir ou nao o velame reserva baseado no monitoramento da altura e velocidade vertical do
paraquedista durante o salto.
1.2.2 Objetivos Especıficos
• Utilizar um sensor de pressao para adquirir tais valores e utiliza-los para determinar a
altitude relativa do sistema e velocidade vertical.
• Utilizar uma memoria para guardar um registro de dados.
• Implementar um software que receba dados do sensor, processe-os, trate-os de forma
adequada e envie informacoes para serem gravadas na memoria.
• Utilizar o Arduino para executar o software supracitado.
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2 DESENVOLVIMENTO
2.1 PARAQUEDAS
O termo paraquedas e comumente usado tanto para o equipamento completo quanto para a
porcao que infla e reduz a velocidade de queda. Para nao haver confusao, usaremos os termos
tecnicos adotados pelos paraquedistas. O equipamento pode ser dividido em duas partes prin-
cipais: o conteiner, que e a mochila que vai presa ao paraquedista, e o velame 1, que e a porcao
inflavel responsavel por diminuir a velocidade de queda.
O conteiner armazena dois velames, um principal e outro reserva, como ilustra a figura 1.
Seu design permite que cada velame possa abrir independentemente do outro, mas a posicao
do velame reserva e privilegiada. Ele se localiza na parte superior do conteiner, permitindo
que a abertura do reserva seja sempre mais facil e veloz que a abertura do velame principal. O
conteiner e preso ao paraquedista por meio de alcas como uma mochila normal e por tirantes
fixados nas coxas e no peito do atleta, como ilustra a figura 2.
O velame e uma peca de tecido que se desdobra e infla, tomando um formato de uma asa
e permitindo que o paraquedista manobre para os lados e diminua a velocidade horizontal e
vertical, deformando o formato da asa. O velame principal (figura 3) e composto por nove
celulas. Cada celula e formada por dois gomos, os quais, por sua vez, sao a menor unidade do
velame e tem formato de um prisma com a base aberta para que o ar entre. O velame reserva
(figura 4) possui apenas 7 celulas com entradas de ar dos gomos consideravelmente maiores,
tudo para favorecer uma abertura e pressurizacao mais rapida e diminuir as chances de ocorrer
uma pane durante a abertura. Em compensacao, o velame reserva tem performance de voo
muito inferior.
Os velames possuem em sua parte inferior, tambem chamada de intradorso, varias linhas
que se agrupam e se prendem a quatro tirantes de sustentacao no conteiner. Alem dessas li-
nhas que distribuem o peso do paraquedista por toda a asa, existem mais duas linhas que sao
responsaveis por deforma-lo e permitir navegabilidade (vide figura 5). Essas duas linhas estao
1Consideraremos apenas velames modernos, inflaveis e retangulares
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Figura 1: Parte traseira do conteiner.
Fonte: Autoria propria.
Figura 2: Alcas, tirantes de peito e tirantes de coxa.
Fonte: Autoria propria.
presas as duas celulas mais externas do velame e em sua outra extremidade existem pegadores
chamados batoques. Os batoques sao fixados aos tirantes de sustentacao traseiros do conteiner
apenas por velcro. Assim que o velame infla, o paraquedista desprende os batoques e os utiliza
para navegar.
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Na parte superior do velame, ou extra dorso, localizado exatamente no meio do velame,
existe uma fita de seis metros de comprimento chamada de bridle. A 40 cm do velame, na bridle,
ha uma bolsa que abriga o velame quando ele esta dobrado. Ela serve para manter o velame
devidamente dobrado enquanto acondicionado no conteiner e auxilia a abertura progressiva e
correta do velame. Na ponta da bridle fica o pilotinho, um mini velame redondo que e dobrado
e acondicionado na parte inferior externa do conteiner e inicia a sequencia de abertura. O slider
e uma peca retangular de tecido, que tem quatro furos, um em cada vertice, por onde todas as
linhas do velame passam. A funcao do slider e diminuir a velocidade de abertura do velame,
dificultando a separacao das linhas. Essa diminuicao da velocidade de abertura e importante
para que a desaceleracao do paraquedista nao seja rapida demais, evitando lesoes.
Figura 3: Velame principal com nove celulas.
Fonte: Autoria propria.
Quando o equipamento esta pronto para ser usado, o velame esta dobrado junto com o
slider dentro da bolsa, as linhas estao todas juntas e presas de forma ordenada, a bolsa com
elasticos esta acondicionada dentro do conteiner que possui quatro abas, cada qual possuindo
um furo. No interior do conteiner ha um fio, chamado loop que tem as suas duas pontas presas
ao conteiner e forma uma alca. Quando o equipamento e fechado, o loop passa pelos quatro
furos das abas e as mantem fechadas por meio de um pino. Esse pino e preso a bridle, que passa
por entre duas abas e e dobrada juntamente com o pilotinho e acondicionada na parte inferior
externa do conteiner, ao alcance da mao do paraquedista.
Para comandar o velame principal, o paraquedista lanca ao vento o pilotinho. Quando a
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Figura 4: Velame reserva com sete celulas.
Fonte: Autoria propria.
forca de arrasto do pilotinho e grande o suficiente para esticar a bridle, o pino e puxado e libera
o loop, que livre permite a abertura das abas e libera a bolsa. As linhas se esticam e forcam o
velame para fora, que comeca a inflar e a empurrar o slider para baixo. Ao fim do procedimento,
o velame esta totalmente inflado, o slider esta junto dos tirantes de sustentacao e os batoques ao
alcance da mao, conforme ilustra a figura 6.
Os tirantes de sustentacao se ligam ao conteiner por meio de um sistema de tres argo-
las(figura 7). Em cada alca do conteiner, na altura dos ombros, ha uma argola de aco costurada.
As outras duas sao costuradas nos tirantes. Por dentro da argola do conteiner, que e a maior,
passa uma das argolas dos tirantes de sustentacao e em seguida a terceira argola, que e a menor
das tres, passa por dentro da segunda. Por dentro da terceira argola passa um loop pequeno que
tambem passa por dentro de um furo no tirante. Por dentro do loop passa um cabo semi rıgido
que mantem todo o sistema preso. Esse cabo passa por dentro de um duto e vai ate a alca direita
do conteiner, onde e preso ao punho de desconexao na altura do peito do paraquedista.
E possıvel desconectar o velame principal caso ele apresente alguma pane. Isso e feito uti-
lizando o punho de desconexao. Ao puxar o punho de desconexao o cabo e removido de dentro
do loop, que libera a argola menor, que por sua vez libera as outras duas argolas, desconectando
os tirantes de sustentacao do conteiner e liberando o velame, linhas e tirantes de sustentacao do
paraquedista.
O velame reserva tambem e acondicionado em uma bolsa, chamada freebag, que e presa a
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Figura 5: Partes de um velame.
Fonte: http://www.deepstop.org/skydiver/
uma bridle maior que a do sistema principal. Essa bridle tambem tem um pilotinho na ponta,
mas maior e dotado de uma mola. O nome da bolsa do reserva e diferente porque a bridle nao
e presa ao centro do extradorso do velame reserva e por isso, uma vez que o reserva saia da
freebag, esta caira livre e separada do paraquedista. A bridle do sistema reserva e maior porque
caso o pilotinho do reserva nao gere arrasto, a bridle podera extrair a freebag. O velame reserva
e acondicionado no conteiner de forma semelhante ao sistema principal, mas o pilotinho do
reserva fica acondicionado dentro do conteiner e o pino que fecha o loop do sistema reserva
e preso a um cabo semi rıgido que passa por um duto ate a alca esquerda do conteiner, onde
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Figura 6: Sequencia de abertura de um velame principal.
Fonte: Autoria propria.
Figura 7: Exemplo do sistema de tres argolas.
Fonte: http://en.wikipedia.org/wiki/Three ring system
fica o punho do reserva. O sistema reserva e mantido fechado sob pressao devido a mola do
pilotinho reserva. Isso permite que o velame reserva seja extraıdo de forma rapida e com o
paraquedista em qualquer posicao, mesmo que instavel, de queda. Nao e possıvel desconectar
o velame reserva pois os seus tirantes nao possuem o sistema de argolas, eles sao costurados
diretamente no conteiner. Para comandar o velame reserva o paraquedista deve puxar o punho
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de desconexao, mesmo que ele nao tenha comandado o velame principal, larga-lo, e em seguida
puxar o punho do reserva que libera o pino que fecha as abas do sistema reserva do conteiner,
liberando o pilotinho reserva para saltar para fora devido a sua mola, extraindo a freebag. Ao
esticar das linhas, o velame reserva e liberado da freebag e pode inflar e forcar seu slider para
baixo, completando a abertura do sistema reserva.
2.2 DAA
O paraquedismo e um esporte radical, isso significa que ha sempre um risco real de lesoes
serias ou ate morte. Acidentes podem acontecer, e podem ser evitados. A utilizacao de equi-
pamentos de seguranca e uma maneira de administrar o risco sempre presente nos esportes. O
DAA (Dispositivo de Abertura Automatica) e um dispositivo de seguranca nao-obrigatorio que
deve comandar o velame reserva caso o paraquedista nao comande o paraquedas (velame prin-
cipal) ate uma determinada altura mınima. Isso ocorre em casos como perda de consciencia,
desorientacao e panes. E importante salientar que o DAA deve ser utilizado como ultimo re-
curso, pois ele foi concebido como um dispositivo de emergencia.
Ha dois tipos de DAAs: eletronicos e mecanicos, mas estes estao entrando em desuso
pois sao grandes e ficam expostos, ao contrario dos eletronicos, que sao bem menores e ficam
dentro do conteiner. Alem disso, os dispositivos mecanicos removem o pino do sistema reserva
enquanto os eletronicos cortam o loop, evitando falhas caso o pino por alguma razao fique preso
ao conteiner.
Os DAAs eletronicos consistem basicamente em um display que permite ao usuario acom-
panhar o funcionamento, um sistema controlador que monitora as condicoes da queda, realiza
os calculos para determinar velocidade e altura e controla o atuador. Uma bateria alimenta o
sistema todo. O dispositivo deve ser ligado quando o paraquedista esta no chao, no local em que
pretende saltar. O sistema de controle mede a pressao no local e determina a altura referencia
do solo. Quando o paraquedista sobe mais de 1000 pes em relacao ao solo, o sistema entra em
modo ativo e monitora a velocidade e a altura do paraquedista. O cutter (figura 8) e o atuador:
um tubo de metal com um projetil cortante em uma das extremidades e com um furo transversal
por onde passa o loop. Ao ser ativado, o cutter dispara seu projetil e corta o loop, liberando o
pilotinho do reserva.
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Figura 8: Exemplo de um cutter.
Fonte: http://www.vigil.aero/cutter-unit
2.3 SENSOR DE PRESSAO
Segundo ”sensores sao dispositivos que mudam o seu comportamento sob acao de uma
grandeza fısica, podendo fornecer direta ou indiretamente um sinal que indica essa grandeza”.
(FONSECA, ). Chamamos transdutores os sensores que operam diretamente, transformando
uma forma de energia em outra. Sensores de operacao indireta alteram suas propriedades como
a impedancia sob acao de uma grandeza fısica tal como temperatura, pressao ou forca aplicada.
Sensores sao frequentemente usados em sistemas de controle que necessitam de uma operacao
automatica e em medidores como altımetros ou termometros.
Podemos compor como caracterısticas importantes de um sensor:
• Linearidade: e o grau de proporcionalidade entre a resposta do sensor e a grandeza fısica
envolvida. Sensores considerados lineares sao os mais fieis, portanto os mais usados
buscando uma boa precisao. Sensores nao lineares sao usados em casos especıficos onde
o seus desvios nao influam consideravelmente, ou conjugados a adaptadores que corrijam
a leitura.
• Faixa de atuacao: intervalo de valores para a grandeza fısica no qual o sensor atua com
precisao consideravel.
Alem das classificacoes supracitadas, pode-se classificar sensores de acordo com o tipo.
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Pode-se citar como os principais tipos:
• Sensores opticos: baseiam-se nos princıpios de emissao, reflexao e recepcao da luz.
• Sensores indutivos: sao formados por uma bobina que cria um campo magnetico de alta
frequencia e baseiam-se no fato de que a proximidade de objetos metalicos altera a in-
dutancia.
• Sensores capacitivos: tem como elemento principal um capacitor, cuja capacitancia varia
com a proximidade de qualquer material nao dieletrico.
• Sensores ultra-sonicos: baseiam-se em ondas de ultra-som e suas reflexoes para medicao
de distancias a obstaculos.
• Sensores de pressao (absolutos ou relativos): baseiam-se nos efeitos da pressao na deformacao
de materiais.
• Sensores de vazao: aplicacao dos sensores de pressao para o estudos de escoamento de
fluidos.
O prototipo do DAA deve ser capaz de determinar com exatidao a altura relativa ao solo e
a velocidade de queda do paraquedista. Apos pesquisa de tecnologias ja disponıveis e das tec-
nologias utilizadas por DAAs comerciais, concluiu-se que a melhor forma de obter as medicoes
necessarias era utilizar um sensor de pressao absoluta.
A grandeza dada pela relacao entre a intensidade da forca que atua perpendicularmente e
a area em que ela se distribui e denominada pressao. O ar que forma a atmosfera terrestre tem
massa e sendo assim tem peso. A forca que o peso da coluna de ar exerce em qualquer area da
superfıcie terrestre caracteriza uma pressao. Essa pressao tem o nome de pressao atmosferica
e atua em todos os corpos em contato com a atmosfera. Ela esta diretamente ligada a altitude,
pois quanto mais alto, menor e a coluna de ar acima. Sendo assim, um sensor de pressao
barometrica pode ser usado como altımetro se ele for capaz de oferecer medicoes exatas em
pequenos intervalos de tempo e tambem de fornecer dados para o calculo de velocidade de
queda de um corpo.
Um sensor de pressao atua como um transdutor, gerando um sinal em funcao da pressao
que e exercida sobre seu componente sensıvel. Existem varios tipos de sensores, que se dife-
renciam pela amplitude de pressao que sao capazes de medir, faixa de temperatura e se medem
a pressao absoluta (em relacao ao vacuo), ou a pressao relativa (diferenca entre duas pressoes
de interesse).
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Para este projeto era preciso um sensor que gerasse sinal eletrico e que fosse capaz de medir
a pressao atmosferica com exatidao e alta velocidade (varias medidas por unidade de tempo).
Dentre os sensores encontrados no mercado, o SCP-1000-D11 foi escolhido por ter grande
resolucao (1,5 Pa), ser capaz de fazer ate 9 leituras por segundo, utilizar barramento I2C, ter
baixo consumo de energia e grande exatidao nas medidas e por estar disponıvel ja soldado em
uma placa que circuito impresso (PCI) com pinos.
O SCP-1000-D11 foi desenvolvido pela empresa finlandesa VTI Technologies. E um sensor
capacitivo de pressao absoluta que faz praticamente todo o processamento dos dados. A pressao
e medida, calibrada e compensada internamente, a unica operacao necessaria para se obter os
dados em Pascal e a multiplicacao da saıda por uma constante. O elemento sensıvel do sensor
e um wafer de silıcio, afinado para formar um diafragma. Este diafragma atua como uma
placa movel de um sensor capacitivo. A placa fixa e um fino filme metalico depositado sobre
um segundo wafer de silıcio vitrificado. Os dois wafers sao acoplados atraves de uma tecnica
chamada anodic bounding para que fiquem hermeticamente seladas. O diafragma deflete devido
a diferenca de pressao entre o exterior e o vacuo interno de referencia, da camara. Essa deflexao
provoca uma variacao na capacitancia, a partir da qual obtem-se a variacao de pressao ocorrida.
Figura 9: Foto da PCI do SCP-1000-D11.
Fonte: http://parts.digikey.com/1/parts/950691-sensor-i2c-30-120kpa-pcb-scp1000-pcb3.html
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2.4 MEMORIA
Memorias sao dispositivos que armazenam informacoes. Elas podem ser classificadas
quanto a diversos itens como acesso, volatilidade e tipo de armazenamento. Existem varios tipos
de memorias, entre elas: RAM (Random-Access Memory, Memoria de Acesso Aleatorio em
portugues), ROM (Read-Only Memory, Memoria Somente de Leitura em portugues) e PROM
(Programmable Read-Only Memory, Memoria Programavel Somente de Leitura em portugues).
(IDOETA IVAN VALEIJE ; CAPUANO, 2008).
A memoria EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory, Memoria
Programavel e Apagavel Eletronicamente Somente de Leitura em portugues) e um tipo de
memoria em que e possıvel realizar diversas leituras e escritas e o processo de apagamento
de dados ocorre eletricamente e sem necessidade de reprogramacao total. E uma memoria
nao volatil e de acesso aleatorio, ou seja, mesmo apos ser cortada a alimentacao nao perde o
conteudo armazenado e dado o endereco de uma determinada localidade, acessa-se ela direta-
mente, sem passar pelas localidades intermediarias, o que diminui o tempo de acesso e o torna
o mesmo para qualquer localidade. (IDOETA IVAN VALEIJE ; CAPUANO, 2008).
Optou-se por utilizar a memoria EEPROM M24C04 com barramento I2C pois e um modelo
comercial de maior espaco disponıvel para armazenar dados com custo acessıvel e utiliza o
mesmo protocolo de comunicacao do sensor, facilitando o desenvolvimento do projeto.
Figura 10: Desenho de uma EEPROM.
Fonte: (STMICROELECTRONICS, 2009)
18
2.5 INTERFACE I2C
A Philips Semiconductos, hoje NXP Semiconductors, desenvolveu uma interface de comunicacao
bidirecional simples de duas linhas para controle de circuitos integrados. Essa interface e cha-
mada de Inter-IC ou I2C e requer apenas duas linhas: uma de trafego de dados serial (SDA -
Serial Data) e outra para o sinal de clock (SCL - Serial Clock). A interface permite transmissoes
bidirecionais, segmentadas em palavras de 8bits e com taxa de transferencia de ate 100Kbits/s
no modo Standard, 400Kbits/s no modo Fast, 1Mbit/s no modo Fast Plus e ate 3.4Mbits/s no
modo High-Speed.
A interface consiste em um master (mestre) e um ou mais slaves (escravos). O master e
definido como um microcontrolador fornecendo o sinal de clock pela linha SCL, e o slave e
definido como qualquer circuito integrado recebendo o sinal de clock do master. Essa interface
utiliza enderecamento baseado em software (os escravos tem padroes de bits dedicados como
endereco). Para um slave a linha SCL e sempre de entrada e para o master sempre saıda.
A linha SDA e utilizada tanto pelo master quanto pelo slave para a transmissao e recepcao
de dados. Enquanto o barramento esta livre, ambas as linhas possuem nıvel logico alto e as
mudancas de nıveis logicos alto e baixo so podem ocorrer quando o sinal do clock estiver
baixo. (TECHNOLOGIES, )
2.6 LEVEL SHIFTER
Durante o estudo detalhado do funcionamento do sensor de pressao e do Arduino, observou-
se que a tensao nas portas de I/O do Arduino variam de 0V a 5V e que o sensor, que opera com
3,3V so suportaria um sinal de no maximo 3,6V. Como o sensor e o Arduino se comunicam
atraves de um barramento I2C, nao foi possıvel reduzir a tensao do Arduino apenas com um
par de resistores pois a linha SDA tambem era controlada pelo sensor para enviar os dados das
leituras, e sua tensao em nıvel alto seria baixa demais para o Arduino. A solucao encontrada e
uma solucao proposta pela Philips Semiconductors, a inventora do protocolo I2C, que consiste
no uso de um level shifter bidirecional. Essa solucao e simples e consiste em um circuito
que utiliza apenas um MOS-FET intermediando o sinal de 5V e o de 3,3V, para cada linha do
barramento. O MOS-FET utilizado no projeto foi o BSS-89 e os resistores de pull-up (Rp)
utilizados sao de 10KΩ. (SEMICONDUCTORS, 1997)
19
Figura 11: Esquematico de um level shifter bidirecional.
Fonte: (SEMICONDUCTORS, 1997)
2.7 ARDUINO
Para intermediar o funcionamento dos componentes sensorial e atuador e necessario um
microcontrolador. E intermediando o microcontrolador e o sistema esta o Arduino. Arduino
e uma plataforma eletronica de prototipagem de codigo aberto (open source em ingles), mais
barato que similares - pode-se inclusive montar seu proprio sistema -, multiplataforma - roda
em qualquer sistema operacional, ao contrario da maioria dos microcontroladores, que rodam
apenas em Windows - e possui linguagem de programacao propria, baseada em Wiring. A
versao utilizada neste projeto e o Arduino Diecimila, cujo microcontrolador e um ATmega168.
(ARDUINO, 2009).
20
Figura 12: Foto de um Arduino Diecimila.
Fonte: http://blog.makezine.com/archive/2008/03/arduino snes audio shield.html
2.8 CALCULO DA ALTURA A PARTIR DA PRESSAO
Para utilizar a pressao no calculo da altura e necessaria uma relacao entre essas grandezas.
Para deduzir essa relacao, o ar atmosferico sera tratado com um fluido estatico, ou seja, um
fluido no qual todas as partıculas encontram-se em repouso ou todas tem uma mesma velocidade
constante relativa a um referencial inercial. (SHAMES, 1994).
Antes de deduzir a relacao, define-se peso especıfico (Γ) como o peso por unidade de vo-
lume, sendo medido no S.I. (Sistema Internacional) em N/m3 e volume especıfico (v) como o
volume por unidade de massa, sendo medido no S.I. em m3/kg. Dessa forma:
γ =mgV
(1)
Como assumiu-se que o ar atmosferico e estatico, ou seja, nao ha aceleracao nas partıculas,
pela Primeira Lei de Newton, deve-se ter o somatorio de forcas sobre um elemento infinitesimal
do fluido igual a zero. No sistema consideramos uma forca peso, como abaixo:
Fg = mg = γdV = γdxdydz (2)
(NADA, 1999) Para cada altura a pressao possui um valor diferente. As diferencas e
21
variacoes na pressao geram um campo vetorial conservativo de forcas por unidade de volume:
E =d~FdV
(3)
(SHAMES, 1994) O empuxo e dado pelo oposto do gradiente da pressao, logo:
d~FdV
=−∇ f ⇒~F∫
0
d~F = (−∇ f )dV (4)
~F = (−∇p)dV = (−∇p)dxdydz (5)
A forca definida pelo campo ~F se contrapoe ao peso para tornar a forca resultante aplicada a
amostra de ar infinitesimal nula. Entao se pode compor o diagrama de forcas sobre um elemento
infinitesimal:
−γdxdydz~k +(−∇p)dxdydz = 0 (6)
(−∂ p∂x
~i− ∂ p∂x− ∂ p
∂ z~k)dxdydz = γdxdydz~k (7)
∂ p∂x
= 0∂ p∂y
= 0∂ p∂ z
=−γ (8)
(SHAMES, 1994) Percebe-se que com as aproximacoes feitas, deve-se assumir que a pressao
22
nao varia em outra direcao que nao o eixo z no qual arbitramos a vertical. No caso real existe
variacao na pressao nos eixos x e y, alem da variacao com o tempo, mas elas sao bem menos
significativa que a variacao em z. Como a pressao teorica para este modelo varia somente em z,
podemos usar uma derivada ordinal em relacao a z. Desta forma:
d pdz
=−γ ⇒ d p =−γdz (9)
(SHAMES, 1994) O ar atmosferico e compressıvel. Portanto, seu peso especıfico e alterado
por consequencia da alteracao do seu volume. Pela sua composicao, o comportamento do ar e
bastante proximo de um gas perfeito. Portanto, pode-se usar a equacao de estado para calcular
o volume especıfico e seu peso especıfico:
pV = nRT ⇒ pV =mM
RT ⇒ pv =RTM
(10)
v =RTMp
⇒ gγ
=RTMp
⇒ γ =MpgRT
(11)
(SHAMES, 1994) Na equacao (11), n e o numero de mols da amostra de ar, m e a massa
e M a massa molar. Para a faixa de pressao que se deseja trabalhar neste projeto, o modelo de
atmosfera calculada assumira a temperatura variando linearmente com a altura:
T = To +Kz (12)
K =dTdz
⇒ dz =dTK
(13)
Entao voltamos a equacao diferencial (9):
d p =−γdz =−MpgRT
dTK⇒
p∫
po
d pp
=−MgKR
T∫
To
dTT⇒ ln(
ppo
) =MgKR
ln(To
T) (14)
(ppo
)KRMg = (
toto +Kz
)⇒=toK
[(
ppo
)(−K)R
Mg −1]
=to
(−K)
[1− p
po
(−K)RMg
](15)
((COMPILADOR) NATL; OCEANIC ATMOSPHERIC ADMIN (COLABORADOR),
1976) Um modelo de atmosfera que utiliza as mesmas propriedades acima e o que chama-
mos atmosfera-padrao e assume as seguintes propriedades ao nıvel do mar, considerando o ar
23
seco:
• po = 101325Pa
• To = 288.15K(15oC)
• RMo
= 287.052 m2
s2K
• g = 9,806 ms2 a 45o de latitude N
A temperatura assume uma variacao constante com a altura tal que:
T = 288.15 = 0.0065zK
dTdz
=−0.0065Km
(16)
Assumindo a atmosfera-padrao a equacao fica:
z =288.15
−(−0.0065)
[1− (
p101325
)−287.052(−0.0065)
9.806
]= 44330
[1− p
101325
0.190275]
(17)
A equacao (17) fornece a relacao da altura em metros com a pressao em pascais se conside-
rada apenas na troposfera, condicao necessaria para a aplicacao do modelo da atmosfera-padrao.
Alem do calculo da altura, deve-se considerar tambem o calculo da velocidade de queda,
para que o dispositivo nao dispare com o paraquedas ja aberto. Para tanto, pode ser usada a
definicao de velocidade para o eixo z:
v =dsdt
=dzdt
(18)
Como nao se tem uma funcao definida para a variacao de z, pode-se aplicar a definicao de
derivada.
v = lim∆t→0
z(t +∆t)− z(t)∆t
(19)
Na impossibilidade de usar um ∆t infinitamente proximo de zero, utiliza-se o menor inter-
valo de tempo entre duas medidas do sensor (τ).
v =z(t + τ)− z(t)
τ(20)
24
Se o equipamento se encontra em um momento de elevacao (em um aviao, na preparacao
para o salto, por exemplo) o sinal da velocidade ao aplicar a equacao (20) sera positivo. Caso
ele se encontre em queda, o sinal sera negativo. Esta caracterıstica da formula pode ser usada
como uma forma extra de controle de forma que o dispositivo nao dispare enquanto esta sendo
elevado.
E com essas equacoes pode-se estimar a altura e a velocidade em que o prototipo se encon-
tra.(NADA, 1999). ((COMPILADOR) NATL; OCEANIC ATMOSPHERIC ADMIN (COLA-
BORADOR), 1976)
25
3 CONCLUSAO
Apos praticamente quatro meses de trabalho permeados por duvidas, estudos e acima de
tudo muitos problemas, sejam eles eletronicos ou mesmo pessoais, foi possıvel obter exito no
projeto. E exito nao se limita ao fato do prototipo ter efetivamente funcionado ou nao, mas
abrange um escopo muito maior. Houve exito no aprendizado de como lidar com equipamentos
altamente sensıveis como sensores de pressao, bem como nao lidar com eles; como trabalhar
com memorias nao volateis; como dimensionar um projeto; como projetar um circuito; como
fazer um relatorio de qualificacao, acima de tudo, o que e um relatorio de qualificacao, dentre
outros assuntos tecnicos.
Mas a maior vitoria e o maior aprendizado foi ao lidar com falhas de comunicacao e proble-
mas inter-pessoais, praticando a compreensao e ao mesmo tempo precisando cobrar resultados.
Aprender que uma equipe unida e com problemas e mais forte que uma equipe desunida e que
certas vezes e necessario agir com humildade e reconhecer as proprias falhas.
Neste projeto aprendemos que desenvolver um prototipo e uma tarefa longa e que demanda
um estudo detalhado antes de comecar a trabalhar com a parte tecnica. Tivemos que bus-
car solucoes para problemas que nem imaginavamos existir, como a diferenca de tensao entre
o sensor e o microcontrolador. Propusemos solucoes, encontramos falhas e buscamos novas
resolucoes. Os resultados nem sempre foram os esperados, mas o conhecimento foi conquis-
tado com esforco e dedicacao. A equipe espera levar desse aprendizado a vontade de superar
desafios e de nao ter medo de se propor a fazer algo aparentemente maior do que as proprias
capacidades.
Outro conhecimento fundamental integrado ao projeto foi a fısica. A partir de fontes
confiaveis e muito estudo foi possıvel encontrar um modelo fısico para a atmosfera que se
assemelha ao utilizado em produtos presentes no mercado tais como altımetros barometricos ou
mesmo os DAAs.
Ate o presente momento, nao temos um prototipo funcional, mas percorremos todo o cami-
nho necessario para o seu desenvolvimento e esperamos que antes do fim do semestre possamos
26
executar um teste de campo com nosso prototipo.
27
REFERENCIAS
US Commission/Stand Atmosphere (compilador), Natl; Oceanic Atmospheric Admin (colabo-rador), Natl; Aeronautics Space Admin (colaborador); United States Air Force (colaborador).1999.
ARDUINO. 2009. Disponıvel em: <http://www.arduino.cc/>. Acesso em: 25 de novembro de2009.
(COMPILADOR) NATL; OCEANIC ATMOSPHERIC ADMIN (COLABORADOR), N. A. .S. A. c. U. S. A. F. c. U. C. A. U.S. Standard Atmosphere NOAA Document S/T 76-1562.1976.
FONSECA, I. M. Sensores, transdutores e detectores. Disponıvel em:<http://www2.dem.inpe.br/ijar/SenTrand3.pdf>. Acesso em: 25 de novembro de 2009.
IDOETA IVAN VALEIJE ; CAPUANO, F. G. Elementos de Eletronica Digital. 40. ed. SaoPaulo: Editora Erica Ltda, 2008.
POYNTER, D.; TUROFF, M. Parachuting: The Skydiver’s Handbook. 10. ed. [S.l.]: ParaPublishing, 2003.
SEMICONDUCTORS, P. Bi-directional level shifter for I2C-bus and other systems.AN97055 Application Note. 1997.
SHAMES, I. H. Mecanica dos Fluidos: Princıpios Basicos. 8. ed. Sao Paulo: Edgard Blucher,1994.
STMICROELECTRONICS. M24C16, M24C08, M24C04, M24C02, M24C01 Datasheet.2009.
TECHNOLOGIES, V. SCP1000 Series Datasheet.
