DTMF Aplicado à Automação Residencial, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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FACULDADES LOGATTI

ENGENHARIA ELÉTRICA

DTMF APLICADO À

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

JOÃO RICARDO VIEIRA

RICARDO COLOMBO

ORIENTADOR: Marcos Mantese

ARARAQUARA - SP

DEDICATÓRIA

Dedicamos este trabalho primeiramente a Deus, a nosso orientador Marcos Mantese e a todas as pessoas que nos incentivaram de alguma maneira.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a Deus por nos dar saúde e disposição, a faculdades Logatti, aos nossos professores, as nossas famílias e a todos que nos ajudaram e nos motivaram de alguma maneira.

ABSTRACT

This work discusses a technology about remotely home´s automation, using the telephone communications by the DTMF protocol, and with some specific components it can have control of some peripherals totally by distance.

Keywords: Automation and DTMF.

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1 - Dígitos das Frequências Altas e Baixas .............................................................................. 19

Tabela 3-1 - Famílias PICs pelo tamanho da palavra da memória de programa. ................................. 28

LISTA DE SIGLAS

DTMF - Dual Tone Multi-Frequency CPU - Unidade Central de Processamentos I/O - Entrada e Saídas DDD - Discagem Direta à Distância PIC - Periphecal Interface Controler RAM - Random Acess Memory EPROM - Erasable Programmable Read-only Memory EEPROM - Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory UART - Universal Asynchronous Receiver/Transmitter USART - Universal Synchronous Asynchronous Receiver/Transmitter CISC - Complex Instruction Set Computer RISC - Reduced Instruction Set Computer SISC - Specific Instruction Set Computer

• Figura 1-1 - Redes de Controle em Automação
• Figura 2-1 - Tecla
• Figura 2-2 - Tecla
• Figura 2-3 - Tecla
• Figura 2-4 - Tecla
• Figura 2-5 - Tecla
• Figura 2-6 - Tecla
• Figura 2-7 - Tecla
• Figura 2-8 - Tecla
• Figura 2-9 - Tecla
• Figura 2-10 - Tecla
• Figura 2-11 - Tecla *
• Figura 2-12 - Tecla #
• Figura 2-13 - Gráfico das teclas
• Figura 2-14 - Equação
• Figura 2-15 - Equação
• Figura 2-16 - Soma da senóide de 697 Hz com 1209 Hz
• Figura 3-1 - Microcontrolador PIC 16F877A da MicroChip
• Figura 3-2 - MCU´s de 8-bit, 16-bit e 32-bit
• Figura 3-3 - Arquitetura Harvard
• Figura 3-4 - Imagem do Programa MPLAB da MicroChip......................................................................
• Figura 3-5 - Kit Gravador PIC USB..........................................................................................................
• Figura 4-1 - Algoritmo do Programa DTMF
• Figura 4-2 - Diagrama de Blocos do Programa DTMF
• Figura 4-3 - Pinagem do PIC16F628a
• Figura 4-4 - Diagrama de blocos PIC16F628a........................................................................................
• Figura 4-5 - Esquema de ligação do circuito integrado MT8870
• Figura 4-6 - Saturação forte, transistor como chave.............................................................................
• Figura 4-7 - Esquema Elétrico do Projeto DTMF
• Figura 4-8 - Programação Parcial em Liguagem C
• 1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL Sumário
• 1.1 Introdução...................................................................................................................................
• 1.2 Objetivo Geral
• 1.3 Objetivo Específico......................................................................................................................
• 1.4 Justificativa..................................................................................................................................
• 1.5 Tecnologia
• 1.6 Automação Residencial
• 1.6.1 Principais Soluções de Automação Residencial........................................................................
• 2 DTMF
• 2.1 História
• 2.1.1 Telefone....................................................................................................................................
• 2.1.2 A Invenção da Discagem Direta
• 2.1.3 Como Funciona
• 2.2 DTMF
• 3 MICROCONTROLADOR PIC
• 3.1 História dos Microcontroladores
• 3.2 Alimentação
• 3.3 Definição da CPU.........................................................................................................................
• 3.4 Arquitetura Interna
• 3.5 UART
• 3.6 USART..........................................................................................................................................
• 3.7 Memória de Programa
• 3.8 Pilha ou Stack
• 3.9 Organização da Memória de Dados
• 3.10 Portas de Entrada/Saída
• 3.11 Oscilador
• 3.12 Pipeline
• 3.13 Reset
• 3.14 Watchdog Timer (WDT)
• 3.15 A Escolha do Microcontrolador
• 3.16 Compilação e Gravação
• 3.16.1 MPLAB
• 3.16.2 O Gravador
• 4 ALGORITMOS E PROGRAMAÇÃO
• 4.1 Algoritmo
• 4.1.1 Linguagem de Programação
• 4.2 Programa do Microcontrolador
• 4.3 Hardware
• 4.3.1 MT8870
• 4.3.2 Circuito Eletrônico
• 4.3.3 Transistor
• 4.3.4 Transistor como Chave
• 4.3.5 Hardware
• 4.3.6 Programação – Interrupção Externa
• 4.3.7 Programação – Interrupção por Mudança de Estado
• 4.3.8 Programa em Linguagem “C”
• 5 CONCLUSÃO

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1 AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL

1.1 Introdução

Com o avanço da tecnologia e o barateamento de materiais necessários para a produção em grande escala para produtos eletrônicos de alta tecnologia, as residências estão cada vez mais modernas. [1] Segundo Bolzani (2004), entre as comodidades da automação residencial estão funções como ligar ou desligar lâmpadas, abrir ou fechar portões automáticos, acionar a bomba da piscina ou o sistema de irrigação do jardim, ligar aquecedores, saunas ou aparelhos de ar condicionado e ligar ou desligar diversos outros equipamentos que não exigem interferência humana para funcionar, incluindo cafeteiras, torradeiras, abajures, exaustores e outros.

1.2 Objetivo Geral

O objetivo geral desse trabalho é projetar um circuito eletrônico para controlar dispositivos à distância, usando o protocolo DTMF ( Dual Tone Multi- Frequency ).

1.3 Objetivo Específico

O objetivo específico é controlar dispositivos à distância usando um meio de transmissão telefônico através do protocolo DTMF, que são os tons do teclado numérico de um telefone, configurado na opção multifrequencial, usando microcontrolador para ler, processar e executar as tarefas, mostrando as vantagens e desvantagens que esse protocolo poderá proporcionar.

1.4 Justificativa

Cada vez mais pessoas e empresas buscam soluções tecnológicas para seus bens e produtos, poder controlar qualquer que for o dispositivo sem ter que estar no local, pode ser bem interessante quanto econômico. Empresas podem monitorar seus funcionários à distância, dando a eles ou não acesso a determinados

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Figura 1-1 - Redes de Controle em Automação

Segundo Teruel (2009), a automação residencial surgiu a partir da industrial no final da década de 70, quando empresas percussoras como a X Corp e Leviton começaram a desenvolver produtos para a arquitetura residencial, porém ao contrário do ambiente industrial, nas residências não havia espaço para grandes centrais de controle nem para extensos cabeamentos, o que impulsionou várias empresas como Cisco, Intel, Motorola, Philips entre outras a desenvolverem dispositivos dedicados ao ambiente residencial. A partir da década de 90 acontece o grande avanço nas tecnologias de automação residencial. A utilização de controles remotos programáveis com comunicação por infravermelho ou radiofrequência tornou o controle de um sistema de automação residencial bem mais amigável e prático. Unido a isso, o surgimento e o posterior barateamento da internet banda larga aliada à evolução das telecomunicações, comunicação sem fio e a popularização do celular e dos computadores portáteis criou todas as condições necessárias para a concretização da casa conectada por meio da internet.

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Existe hoje no mercado uma gama enorme de soluções de automação residencial com características diversificadas que na maioria das vezes executam funções semelhantes.

1.6.1 Principais Soluções de Automação Residencial

Segundo Teruel (2009), as soluções de automação residenciais mais modernas e que apresentam melhor custo/benefício são as que utilizam as tecnologias Zigbee e Z-Wave. Essas soluções possuem comunicação por radiofrequência e são indicadas tanto para residências já construídas quanto em fase de projeto. Para aquelas já construídas, essas soluções são ideais, pois não necessitam de custosas intervenções na parte física da residência para sua instalação. Além disso, a qualquer momento o usuário pode adquirir novos dispositivos e conectá-los a rede de automação doméstica sem complicação. Z-Wave é uma tecnologia desenvolvida especialmente para automação residencial por uma empresa dinamarquesa conhecida como Zensys. Hoje trabalham no desenvolvimento da tecnologia empresas gigantes como Intel e Cisco. Zigbee é uma tecnologia recente, está sendo desenvolvida por um grupo de empresas como a Honeywell, Philips, Samsung, Motorola, Cisco System, Eaton, Crestron, Legrand, LG, NEC, Epson e Texas Instruments, que tem como principal característica o baixo consumo de energia.

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2002, quando o Congresso dos Estados Unidos aprovou a resolução Nº.269, estabelecendo que o inventor do telefone fora, na realidade, Antonio Meucci e não Alexander Graham Bell. [5]

2.1.2 A Invenção da Discagem Direta

No início, as conexões de telefone eram feitas por operadores que ligavam plugues em dispositivos. Em 1889, na cidade de Kansas, EUA, o empresário Almon Strowger descobriu que a operadora local, casada com o empresário que era seu rival nos negócios, transferia as ligações dos seus clientes para o marido. Strowger inventou a primeira central telefônica automática, uma central controlada de modo remoto que podia conectar um telefone a qualquer outro por meio de pulsos elétricos sem a necessidade de um operador. [4] Em 1896, Keith e os irmãos Erickson desenvolveram um sistema que eliminou também a necessidade de apertar os botões várias vezes, substituindo-os por um sistema que enviava sequências de pulsos do aparelho do usuário para a central: o disco.

2.1.3 Como Funciona

Quando o disco era girado, produzia uma série de pulsos elétricos por meio de uma mola que acoplada a ele, acionava duas placas metálicas que ficavam na parte interna do sistema. Acionadas, as placas que se encostavam e afastavam sucessivamente, funcionavam da mesma forma que os interruptores de botão quando pressionados várias vezes. Para discar, uma pessoa tinha que girar o disco até uma posição – de um número e soltá-lo. Nesse momento, uma mola fazia o disco voltar a sua posição inicial, estabelecendo uma sucessão de contatos elétricos que, enviados à central telefônica, tinham o mesmo efeito que produzido no antigo sistema, quando o primeiro botão era pressionado um determinado número de vezes. Ao girar o disco pela segunda vez, repetia-se todo o processo o que equivalia a apertar o segundo botão uma série de vezes. Além de facilitar a vida dos usuários, este sistema reduziu também o número de fios que ligavam cada aparelho à central telefônica e com isso, os custos. [6]

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2.2 DTMF

A sinalização DTMF foi desenvolvida nos laboratórios Bell (Bell Labs) visando permitir a discagem DDD, que usa enlaces sem fio como os de micro-ondas e por satélite. As frequências destes tons e suas combinações são mostradas na tabela abaixo:

Hz 1209 1336 1477 1633 697 1 2 3 A 770 4 5 6 B 852 7 8 9 C 941 * 0 # D

Tabela 2-1 - Dígitos das Frequências Altas e Baixas

Na tabela acima são mostradas as frequências “altas” na linha superior e as “baixas” na coluna mais à esquerda. No centro os números do teclado. Nos teclados dos telefones são mostrados apenas os números de 1 a 0 e os caracteres “*” e “#”. A frequência de 1633 hertz (e consequentemente os algarismos “A”,”B”,”C”e “D”) é utilizada apenas internamente entre equipamentos de teste e medida. O tom de discagem final, que é enviado à central, é a frequência obtida do batimento da frequência alta e baixa de uma certa tecla, por exemplo, para a tecla 1 o tom enviado é a soma de uma senóide na frequência de 1209Hz com uma outra senóide de 697Hz. Na central o sinal elétrico é constantemente analisado para detectar a presença simultânea de uma das frequências baixas e uma das frequências altas, quando então a tecla do cruzamento destas duas frequências é identificada pela central. A escolha destas frequências se deve principalmente pela baixa probabilidade de se produzir estas combinações de frequências com a voz humana. [3]