Projeto Conceitual de Hardware

Visão geral do hardware

O hardware do Micromouse Ratatuli integra alimentação embarcada, sensoriamento de paredes, processamento, acionamento dos motores e comunicação com o sistema de telemetria. A ESP32 DevKit V1 executa o firmware, recebe as informações do ambiente e da bateria e controla o movimento diferencial das rodas.

Após um realinhamento arquitetural com as equipes de Estrutura e Energia, o projeto de hardware evoluiu da sua versão inicial (motores de passo e sensores infravermelhos binários) para uma arquitetura de malha fechada, visando maior precisão de odometria e redução de peso.

Esta descrição consolida o projeto de Controle e Comunicação e os conteúdos de arquitetura, subsistemas e interfaces da entrega da Dupla 1.

Diagrama de blocos

Imagem 1: Diagrama de blocos

Fonte: João Vitor e Ana Victória, 2026.

Arquivo editável no Draw.io: Acessar diagrama de blocos

A fonte embarcada alimenta os caminhos de potência e de regulação da lógica. O conversor buck-boost fornece a linha de 5 V que chega à placa pelo terminal VIN. O divisor e o filtro disponibilizam ao ADC a informação de tensão da fonte. Os circuitos compartilham a referência GND.

A ESP32 recebe o sensoriamento via I²C, envia os sinais PWM e direção para a ponte H, e processa os pulsos de interrupt dos Encoders A/B. A telemetria segue por Bluetooth para a ponte do sistema web.

Principais subsistemas e Justificativas

Tabela 1: Principais subsistemas

Subsistema	Função e conexões	Justificativa de projeto
Alimentação e proteção	Fonte embarcada, conversor Buck-Boost 5 V e divisor analógico.	Buck-boost garante 5 V estáveis na ESP32 (pino VIN) durante toda a curva de descarga da bateria.
Sensoriamento de paredes	3 sensores Time-of-Flight (ToF, ex: VL53L0X), 1 frontal (0°) e 2 laterais (±45°), conectados via I²C e pinos XSHUT.	Medir distância absoluta em milímetros permite aplicar controle PID para centralizar o robô nos labirintos.
Acionamento e Odometria	2 motores DC N20 com encoders, controlados por Ponte H Dupla (ex: TB6612FNG).	Encoders (A/B) fornecem odometria real (malha fechada), evitando falhas no mapa por derrapagem (slip). Menor peso e consumo.
Processamento e controle	ESP32 DevKit V1, gerando sinais PWM e gerindo rádio Bluetooth.	Concentrar processamento e rádio nativo sem ocupar espaço com módulos externos.
Configuração e sinalização	DIP switch, botão BOOT, LED e buzzer.	Entradas locais para facilitar calibrações de pista sem reprogramação.

Fonte: João Vitor e Ana Victória, 2026.

Sensoriamento, movimento e telemetria

O sensoriamento utiliza três sensores ToF (1 frontal centralizado a 0° e 2 laterais a ±45°, conforme a torre do projeto conceitual de Estrutura) conectados ao barramento I²C. As linhas XSHUT permitem habilitá-los sequencialmente para atribuir endereços distintos durante a inicialização.

O acionamento dos motores DC N20 utiliza sinais PWM e de direção para a ponte H dupla. Os motores recebem corrente pela ponte H, não diretamente pelos GPIOs da ESP32. Os encoders A/B fornecem realimentação da rotação das rodas para o controle em malha fechada e a estimativa de deslocamento e velocidade.

A odometria por encoders continua sujeita a erros por derrapagem das rodas. A leitura do divisor fornece tensão da bateria, não uma medição direta de corrente ou carga acumulada.

Controle e Comunicação

Este subsistema reúne a unidade de processamento, a supervisão de funcionamento, a comunicação e as interfaces com os demais circuitos. Relaciona-se à unidade de processamento da EAP e aos requisitos de comunicação, watchdog e capacidade de I/O da Eletrônica.

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1. Microcontrolador

A unidade de processamento é a ESP32 DevKit V1 de 30 pinos, identificada nos materiais do projeto. A placa reúne regulador de 3,3 V, interface USB de programação e botões de reset e BOOT. O firmware é executado nessa unidade, sem constituir um bloco físico separado.

A escolha reúne processamento, entradas e saídas e rádio integrado na mesma placa, além de suporte a I²C e à leitura dos encoders por interrupções. A organização do firmware separa as funções de aquisição e movimento das funções de comunicação; a navegação deve continuar autônoma em caso de falha da rede ou do sistema web.

Alimentação e limites elétricos

Elemento	Aplicação no projeto
VIN	Recebe a alimentação proveniente da linha regulada de 5 V, através de D1. A queda no diodo deve ser considerada; VIN não é GPIO.
3V3	Terminal da linha de 3,3 V da placa; distinto de VIN.
GND	Referência comum aos circuitos. Os retornos de potência e lógica devem ser organizados separadamente.
GPIOs	Sinais lógicos de 3,3 V; não devem receber sinais de 5 V.
GPIO36 / VP	Entrada ADC1_CH0, sem capacidade de saída nem resistores internos de pull-up/pull-down.

A bateria não se conecta diretamente ao ADC: o sinal passa pelo divisor e pelo filtro. A faixa de aquisição depende da configuração do ADC; 2,45 V não deve ser apresentado como um limite universal de entrada.

Referência técnica: ESP32 Pinout Reference — Last Minute Engineers, seções Input Only GPIOs, ADC Pins e Power Pins.

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2. Watchdog e segurança

O projeto estabelece supervisão por watchdog para recuperação de travamentos e adota motores desligados como estado seguro. A recuperação do controlador deve preservar esse estado até a retomada do controle pelo firmware.

Na arquitetura V2, a interface de habilitação da ponte H é a linha MOT_STBY, ligada ao pino STBY do TB6612FNG (nível alto = ponte ligada). Na folha "Alimentação e Motores", o resistor R3 de 10 kΩ mantém o STBY em nível baixo (pull-down para GND), de modo que os motores permaneçam desligados durante o boot e em caso de reinício pelo watchdog. A folha de Controle ainda apresenta a rede legada MOT_EN e R1 de 10 kΩ para 3,3 V (pull-up, adequado ao enable ativo em baixo do A4988); essa rede deverá ser renomeada para MOT_STBY e o R1 removido ou convertido em pull-down, evitando conflito com o R3. O botão BOOT é uma entrada da placa tratada pelo firmware; não constitui um dispositivo independente de corte da alimentação dos motores.

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3. Comunicação

A telemetria utiliza Bluetooth integrado à ESP32, com uma ponte no notebook para encaminhamento ao sistema web. A interface de rádio pertence à unidade de processamento e não exige um GPIO externo dedicado.

O sistema web recebe os dados do robô; o controle do trajeto permanece no firmware embarcado. A comunicação deve preservar a independência da navegação em relação ao receptor e ao backend.

4. GPIOs e pinagem

Imagem 2: GPIOs da placa ESP32 DevKit V1 de 30 pinos

Fonte: João Vitor e Ana Victória, 2026.

Figura 2 — GPIOs da ESP32 DevKit V1. Fonte: Last Minute Engineers — ESP32 Pinout Reference.

A tabela reúne o planejamento de sinais para a Arquitetura V2 (N20 + ToF). Os nomes representam redes funcionais; a alocação final dos GPIOs de acionamento deverá ser consolidada com a escolha da ponte H.

Tabela 2: Planejamento de sinais da arquitetura V2

Pino / Rede	Tipo	Função principal
I2C_SDA / I2C_SCL	Comunicação	Barramento de leitura das distâncias dos sensores ToF
XSHUT_1 a XSHUT_3	Saída digital	Habilitação sequencial dos ToFs para troca de endereço I²C: frontal, esquerdo e direito. A folha de Controle ainda traz quatro linhas (XSHUT_FE, XSHUT_FD, XSHUT_E e XSHUT_D) e deverá ser revisada para três
PWM_E / PWM_D	Saída digital	Controle de velocidade dos motores pela ponte H
IN1 / IN2 (por motor)	Saída digital	Sentido de rotação de cada motor, conforme a ponte H escolhida
ENC_E_A / ENC_E_B e ENC_D_A / ENC_D_B	Entrada por interrupção	Leitura dos canais A/B dos encoders dos dois motores
MOT_STBY	Saída digital	Standby da ponte H e economia de energia
DIP_1 a DIP_4	Entrada com pull-up interno	Seleção de modos
LED_STATUS / BUZZER	Saída digital	Sinalização visual e sonora de diagnóstico
VBAT_SENSE (GPIO36 / VP)	Entrada analógica — ADC1_CH0	Leitura da tensão da bateria pelo divisor e filtro
GPIO0 / BOOT	Entrada local	Botão BOOT da placa
VIN	Alimentação	Linha de 5 V através de D1
3V3 / GND	Alimentação lógica / referência	Linha de 3,3 V e terra comum

Fonte: João Vitor e Ana Victória, 2026.

Restrições dos pinos utilizados

• GPIO36 / VP é uma entrada sem resistores internos de pull-up/pull-down. A bateria deve ser medida obrigatoriamente por divisor de tensão e filtro.
• Na folha de Controle atualizada, GPIO21 e GPIO22 são usados como I2C_SDA e I2C_SCL. As entradas DIP_2 e DIP_3 foram deslocadas para os terminais TX2 e RX2.
• GPIO25, GPIO26, GPIO27, GPIO14 e GPIO13 ainda aparecem com as redes legadas STEP_E, DIR_E, STEP_D, DIR_D e MOT_EN; sua distribuição final deverá contemplar todos os sinais exigidos pela ponte H.
• GPIO0, GPIO2 e GPIO12 são pinos de strapping: as cargas externas devem preservar as condições de inicialização. GPIO12 deve permanecer baixo durante o boot; GPIO0 baixo durante o reset seleciona a gravação.
• Os GPIOs dos XSHUT são provisórios: o firmware usa o GPIO33 para o ToF frontal, o GPIO4 para o esquerdo e o GPIO5 para o direito. Com um sensor a menos, o GPIO18 ficou livre e passou a ser o IN2 do motor direito (MOT_D_IN2) no firmware; falta o fio na placa.
• O EN da placa é o sinal de habilitação/reset do ESP32 e não se confunde com a habilitação dos motores (MOT_EN na folha em transição; MOT_STBY no planejamento V2).

A programação e o diagnóstico utilizam a interface USB da placa, ligada à UART0 pelo conversor USB–serial. Referência: ESP32 Pinout Reference — GPIO Pins, UART Pins, Strapping Pins e Enable Pin.

O mapa complementar de funções dos terminais permanece disponível como referência de pinagem.

Documentação Elétrica (Esquemáticos Preliminares)

O registro elétrico foi desenhado no EasyEDA Pro.

Nota técnica de revisão (Transição V1 → V2): Devido à mudança de escopo arquitetural solicitada pela equipe de Energia durante o fechamento deste documento, os esquemáticos apresentam um estado de transição. A folha "Controle" (Imagem 3) já incorpora o barramento I²C, os pinos XSHUT e as entradas de encoder, mas ainda prevê quatro sensores ToF, em vez dos três confirmados com o professor em 07/10/2026, e conserva os nomes STEP_E / DIR_E, STEP_D / DIR_D e MOT_EN, além da legenda de acionamento por passos. Essas redes e a habilitação deverão ser revisadas para a ponte H. A folha "Alimentação e Motores" (Imagem 4) já foi atualizada para a V2, com a ponte H dupla TB6612FNG para os motores DC N20, mantendo o divisor de tensão e a proteção reversa da bateria já consolidados. Permanecem pendentes, na folha de Controle, a retirada do quarto XSHUT e a compatibilização dos nomes de rede com essa folha.

Folha "Controle"

Imagem 3: Folha "Controle" do esquemático (Atualizada para interfaces V2)

A folha atualizada em 28/09/2026 substitui a imagem anterior de Controle. As portas de rede identificam as conexões com as demais folhas; os nomes da interface de motores ainda precisam ser compatibilizados com o planejamento da Tabela 2.

Componentes: U1 ESP32 DevKit V1 · D1 1N5819 (+5 V → VIN, impede que o USB alimente o regulador externo) · C1 10 µF e C2 100 nF (filtro no VIN) · R1 10 kΩ (pull-up da rede legada MOT_EN, a revisar para a ponte H).

O resultado de DRC registrado para a versão anterior não constitui validação desta revisão; a verificação deverá ser refeita após a compatibilização das folhas.

Folha "Alimentação e Motores"

Imagem 4: Folha "Alimentação e Motores" do esquemático (Atualizada para V2)

A folha, identificada como "Alimentação" na imagem (atualizada em 30/09/2026), apresenta a ponte H dupla U2 (TB6612FNG), os conectores dos motores CN1 (esquerdo, MOTE_1/2) e CN2 (direito, MOTD_1/2), o bloco BUCK_5V, a proteção com diodo SS34 e o divisor de 22 kΩ / 10 kΩ com filtro de 100 nF para VBAT_SENSE.

Os sinais de controle chegam da folha de Controle: PWM_E / PWM_D (velocidade), IN1_E / IN2_E e IN1_D / IN2_D (sentido de rotação) e MOT_STBY (habilitação da ponte). A inversão do sentido de giro é feita trocando IN1/IN2 no firmware.

Componentes: VM1/VM2/VM3 da ponte H ligados diretamente à VBAT, após o diodo SS34 · VCC da ponte H alimentado pela linha de +3,3 V da ESP32, com C3 100 nF de desacoplamento · C2 100 µF de desacoplamento na VBAT · R3 10 kΩ (pull-down do MOT_STBY, mantém a ponte desligada no boot) · divisor de 22 kΩ / 10 kΩ com filtro de 100 nF para VBAT_SENSE · BUCK_5V fornece a linha de +5 V para o VIN da ESP32 (Controle).

A identificação do conversor na folha (BUCK_5V) ainda deverá ser alinhada ao buck-boost de 5 V previsto na arquitetura V2.

Referências

• LAST MINUTE ENGINEERS. ESP32 Pinout Reference. Referência técnica e fonte da Figura 2 e do mapa complementar de terminais. Acesso em: 27/09/2026.