Curso de Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas
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1. Anteriormente as opera es incidiam sobre uma linha de instrug o e contemplavam um grande n mero de par metros at que se introduziu o IDE Integrated Development Environment Ambiente Integrado de Desenvolvimento e as opera es tornaram se mais f ceis usando o MPLAB Mesmo agora as prefer ncias das pessoas divergem e alguns programadores preferem ainda os editores Standard e os int rpretes linha a linha Em qualquer dos casos o programa escrito leg vel e uma ajuda bem documentada est dispon vel 6 5 FLUXOGRAMA No programa desenvolvido utilizamos o conversor anal gico para digital do microcontrolador com 10 bits para obtermos uma melhor precis o ent o foi necess rio primeiro compararmos os valores dos 2 bits do valor alto do conversor e se caso forem iguais verificamos os bits baixos e o tempo do rele ligado ou desligado feito por TON e TOFF na figura 6 3 esta o fluxograma do programa TON m nimo tempo do rele ligado TOFF m nimo tempo do rele desligado 22 INICIO L VALOR DA ENTRADA ANALOGICA CONVERTE DADOS PARA O DISPLA Y ENVIAR DADOS PARA O DISPLA Y TESTA SE CHAVE ENTRA EM SET ACIONADA MODO DE PROGRAMA O L OS DADOS DO SET POINT TON E TOFF QUE EST O NA EEPROM COMPARA OS VALORES DO SET POINT ALTO COM O VALOR LIDO ALTO COMPARA OS VALORES DESLIGA O RELE DO SET POINT BAIXO COM COM O TEMPO DE O VALOR LIDO BAIXO TOFF LIGA O RELE COM O TEMPO DE TON2. 5 GRUITER Arthur Fran ois de Amplificadores operacionais fundamentos e aplica es S o Paulo Makron 1988 251 p 6 PERTENCE JR Antonio Amplificadores operacionais e filtros ativos teoria projetos aplica es e laborat rio 6 ed Porto Alegre Bookman 2003 304 p 7 SOUZA David J Desbravando o PIC 7 Ed S o Paulo rica 2003 8 http www mikroelektronika co yu portuguese product books picbook Recuperado em 08 11 2004 9 http hem passagen se communication 870 html Recuperado em 12 11 2004 10 www national com pf LM LM358 html Recuperado em 10 09 2004 11 www allegromicro com datafile 2001 paf Recuperado em 10 09 2004 12 http www standardproducts philips com products hc paf 74hc245 pdf Recuperado 10 09 2004 45 Bibliografia consultada 1 PATON Barry E Sensors transducers LabView New Jersey Prentice Hall 1999 316 p Virtual instruments series 2 HELFRICK Albert D amp COOPER William D Modern Electronic Instrumentation and Measurement Techniques 3 ed Englewood Cliffs Prentice Hall 1990 3 DORF Richard C BISHOP Robert H Sistemas de controle modernos Tradu o de Bernardo Severo da Silva Filho 8 ed Rio de Janeiro LTC 2001 659 p 4 DISTEFANO Joseph J STUBBERUD Allen R WILLIAMS Ivan J Sistemas de retroa o e controle com aplica es para engenharia f sica e biologia S o Paulo McGraw Hill 1972 1975 480 p
3. Figura 6 3 Fluxograma do programa 23 7 AMONTAGEM Este cap tulo traz uma parte importante do trabalho pois aqui falaremos sobre componentes de uso mais espec fico e detalharemos mais os est gios constituintes do projeto Para n o carregar muito o n mero de p ginas optamos por colocar toda a parte gr fica figuras de simula o layout da placa de circuito impresso etc em ap ndices no final do trabalho 7 1 Est gio de alimentac o Fonte A fonte de alimenta o do circuito eletr nico do controlador constitu da por v Um fus vel de vidro de 0 5 A para a prote o do circuito v Um transformador 12 12 250mA v Dois diodos 1N4007 para retifica o de onda completa v Um Capacitor Eletrol tico de 1000uF X 25V v Um Circuito Integrado 7812 para estabilizar a tens o que aciona o rel e alimentar o amplificador com 12 VDC v Um Circuito Integrado 7805 para estabilizar a tens o que alimenta o restante do circuito em 5 VDC Y Dois Capacitores Eletrol ticos de 220uF X 25V na sa da de cada regulador de tens o Y Dois Capacitores Ep xi de 1uF X 63V na sa da de cada regulador de tens o Fl 12 12 250m4 DI Sg SW 0yo SOD mA 114007 1 gre Li H 12v TRI 194007 Cl 7812 1000 25 Figura 8 1 Esquema da fonte de alimenta o 24 7 2 Est gio de Amplificac o AmpOp O circuito integrado utilizado neste projeto foi o LM 358 composto de dois amplificadores operacion
4. Ultra e muitos outros Cedo aparecem v rios fabricantes do 6502 Rockwell Sznertek GTE NCR Ricoh e Comodore adquiriram a MOS Technology que no auge da sua prosperidade chegou a vender microprocessadores raz o de 15 milh es por ano Contudo os outros n o baixaram os bra os Frederico Faggin deixa a Intel e funda a Zilog Inc Em 1976 a Zilog anuncia o Z80 Durante a concep o deste microprocessador Faggin toma uma decis o cr tica Sabendo que tinha sido j desenvolvida uma enorme quantidade de programas para o 8080 Faggin conclui que muitos v o permanecer fi is a este microprocessador por causa das grandes despesas que adviriam das altera es a todos estes programas Assim ele decide que o novo microprocessador deve ser compat vel com o 8080 ou seja deve ser capaz de executar todos os programas que j tenham sido escritos para o 8080 Al m destas caracter sticas outras caracter sticas adicionais foram introduzidas de tal modo que o Z80 se tornou um microprocessador muito potente no seu tempo Ele podia endere ar diretamente 64KB de mem ria tinha 176 instru es um grande n mero de registros uma op o para refrescamento de mem ria RAM din mica uma nica alimenta o maior velocidade de funcionamento etc O Z80 tornou se um grande sucesso e toda a gente se transferiu do 8080 para o Z80 Pode dizer se que o Z80 se constituiu sem sombra de d vida como o microprocessador de 8 bits com maior sucesso no seu
5. o de Tens o de Tens o de entrada mV sa da mV entrada mV sa da mV entrada mV sa da mV entrada mV sa da mV 0 1 0 260 1299 0 520 2603 0 780 3900 0 10 46 1 270 1348 0 530 2655 0 790 3950 0 20 96 0 280 1401 0 540 2704 0 800 4000 0 30 147 2 290 1450 0 550 2752 0 810 4050 0 40 197 1 300 1498 0 560 2805 0 820 4100 0 50 248 1 310 1550 0 570 2856 0 830 4150 0 60 295 9 320 1600 0 580 2904 0 840 4200 0 70 347 0 330 1651 0 590 2955 0 850 4250 0 39 80 400 0 340 1701 0 600 3004 0 860 4300 0 90 449 0 350 1750 0 610 3054 0 870 4350 0 100 497 0 360 1801 0 620 3105 0 880 4400 0 110 546 0 370 1850 0 630 3154 0 890 4450 0 120 599 0 380 1900 0 640 3203 0 900 4500 0 130 648 0 390 1952 0 650 3250 0 910 4550 0 140 697 0 400 2001 0 660 3300 0 920 4600 0 150 749 0 410 2050 0 670 3350 0 930 4650 0 160 799 0 420 2100 0 680 3400 0 940 4700 0 170 847 0 430 2153 0 690 3450 0 950 4750 0 180 898 0 440 2203 0 700 3500 0 960 4800 0 190 948 0 450 2250 0 710 3550 0 970 4850 0 200 1000 0 460 2300 0 720 3600 0 980 4900 0 210 1050 0 470 2348 0 730 3650 0 990 4950 0 220 1100 0 480 2402 0 740 3700 0 1000 5000 0 230 1149 0 490 2452 0 750 3750 0 240 1199 0 500 2502 0 760 3800 0 250 1250 0 510 2553 0 770 3850 0 40 Ap ndice C O Projeto Aqui apresentaremos os detalhes do projeto do controlador de temperatura Na figura C1 apresentamos o esqu
6. 65 0 60 0 RELE LIGADO ai 55 0 RELE DESLIGADO o 50 0 45 0 40 0 35 0 30 0 8000 82710 Figura 9 3 Leitura da temperatura com setpoint em 80 C A curva apresentada se aproxima em muito quela de um sistema de segunda ordem t pico de controle de temperatura Sabendo das limita es de um controlador ON OFF que diferente de um proporcional integrativo por exemplo n o apresenta condi es de alterar a forma significativa a equa o caracter stica do sistema nos demos por satisfeitos pois o atuador rele funcionou perfeitamente para o ponto de temperatura programado Procuramos trabalhar em temperaturas mais elevadas quase que no limite superior da faixa do projeto pelo fato da varia o da temperatura principalmente na descida n o ser t o lenta O comportamento demonstrado pela curva da figura 9 3 foi agravado pela escolha do sistema a ser controlado que foi constru do utilizando um ferro de solda de 30W e um tarugo de a o inox onde est fixado o sensor de temperatura A presen a do tarugo apesar de causar o transtorno da mem ria de temperatura justificada no aspecto de n o tornar muito abrupta a subida da temperatura do ferro de solda Na figura 9 3 1 esta o segundo programa desenvolvido no Labview que indica quando o rele foi acionado ao mesmo tempo em que a temperatura abaixou do valor do setpoint 33 Figura 9 3 1 Formas de onda da temperatura e do atuador do rele no Lab
7. R 39 24 8 Resistor 820 R R 0 03 R 0 24 2 Resistor 1K 1 R 0 09 R 0 18 1 Resistor 2K2 R 0 07 R 0 07 4 Resistor 22K R 0 06 R 0 24 1 Resistor 3K3 1 R 0 06 R 0 06 1 Resistor 330 R R 0 02 R 0 02 1 Resistor 10K R 0 05 R 0 05 2 Conector MKDS 3 3 R 2 84 R 5 68 4 Chave Inversor KEB R 0 55 R 2 20 1 Soquete SPT 20 R 1 54 R 1 54 1 Soquete SPT 10 R 0 77 R 0 77 1 Soquete SPT 14 R 1 14 R 1 14 1 Soquete SPT 8 R 0 71 R 0 71 1 Soquete SPT 4 R 0 37 R 0 37 1 Placa de Circuito Impresso R 80 00 R 80 00 1 Ferro de Solda Hikari R 22 00 R 22 00 1 Placa de Acr lico gravada R 50 00 R 50 00 1 Servi o de Torno e Fresa R 25 00 R 25 00 TOTAL R 267 87 43 44 Refer ncias Bibliogr ficas 1 REBELLO JUNIOR Carlos Jones Sistema de Aquisi o de Dados Agrometeorol gicos Baseado no Microcontrolador BASIC Step Monografia apresentada ao Departamento de Ci ncia da Computa o da Universidade Federal de Lavras 2004 2 WERNECK Marcelo Martins Transdutores e interfaces Rio de Janeiro Livros T cnicos e Cient ficos 1996 225 p 3 PHILLIPS Charles L HARBOR Royce D Sistemas de controle e realimenta o Tradu o de Luiz Fernando Ricardo S o Paulo Makron 1997 558 p 4 SEDRA Adel S SMITH Kenneth C Microeletr nica Tradu o de Antonio Carlos Seabra Marcio Lobo Netto Sebasti o Gomes dos Santos Filho S o Paulo Makron 2000 1270 p ISBN 85 346 1044 4
8. em bancada o setup montado e descritivo neste documento No segundo esquema que o definitivo acrescentamos junto com a forma de onda da temperatura o sinal que liga o rele para obtermos a hora exata do ponto de atua o do rele Esta outra parte do programa alem de projetar na tela a forma de onda do atuador ao mesmo tempo do gr fico da temperatura tamb m informa a tens o que est sa do do microcontrolador para acionar o rele Na figura 9 1 1 esta o esquema desenvolvido no Labview 31 Temperatura RELE LIGADO Temperatura controlada Saida do microcontrolador que liga o rele RELE DESLIGADO Figura 9 1 1 Esquema do Labview desenvolvido para observarmos a temperatura e o atuador 9 2 Leituras Instalamos um outro sensor de temperatura LM 35 junto ao sensor do controlador com a finalidade de transferir para o Labview os dados decorrentes da leitura da temperatura Com esses dados levantamos um gr fico de aproximadamente 10 minutos onde analizamos os resultados A figura 9 2 apresenta um diagrama de blocos do esquema usado J a figura 9 3 mostra a leitura da temperatura feita pelo sensor auxiliar com setpoint em 80 C LM 35 Ferro de solda Tarugo de Inox Curva da Temperatura Controlador Curva de ON OFF Atua o 32 Figura 9 2 Diagrama de blocos do esquema de leitura utilizado D S sl A Temperatura RR ES Eet 85 0 o 80 5 75 0 70 0
9. fabricante Abaixo s o apresentados dois tipos de calibrac o Calibra o Prim ria Consiste na medi o dos valores das grandezas termom tricas do sensor de temperatura utilizando se os pontos fixos de temperatura que constam na Escala Internacional de Temperatura de 1990 TS 90 cujos valores de temperatura s o conhecidos previamente Esta calibra o somente feita para sensores que ser o padr es prim rios de temperatura Calibra o Secund ria Consiste na medi o da grandeza termom trica do sensor de temperatura onde o valor da temperatura dado utilizando se um padr o prim rio de temperatura ambos imersos num meio termost tico homog neo Os sensores submetidos a uma calibra o secund ria s o denominados padr es secund rios de temperatura Este procedimento o mais utilizado quando se quer a calibra o de um sensor de temperatura A calibra o secund ria uma compara o uma vez que o valor da temperatura dado por um outro sensor de temperatura e n o por um ponto fixo da IT S 90 Se numa calibra o por compara o utiliza se como padr o de refer ncia um padr o de temperatura secund rio a calibra o dita terci ria e o sensor de temperatura um padr o terci rio de temperatura e assim sucessivamente E importante ressaltar que uma calibra o prim ria mais precisa do que uma secund ria e uma calibra o secund ria mais precisa do que uma terci ria 2 4 A Escolha do
10. o Sensores s o dispositivos que mudam seu comportamento sob a a o de uma grandeza f sica podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza Quando operam diretamente convertendo uma forma de energia em outra s o chamados transdutores Os sensores de opera o indireta alteram suas propriedades como a resist ncia a capacit ncia ou a indut ncia sob a o de uma grandeza de forma mais ou menos proporcional O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle e nos instrumentos de medi o que fregiientemente est o associados aos sistemas de controle de malha aberta n o autom ticos orientando o usu rio Uma das propriedades mais importantes dos sensores sua linearidade que o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza f sica Quanto maior mais fiel a resposta do sensor ao est mulo Os sensores mais usados s o os mais lineares conferindo mais precis o ao sistema de controle Os sensores n o lineares s o usados em faixas limitadas em que os desvios s o aceit veis ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal Outra caracter stica sua faixa de atua o ou seja o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor sem destrui o ou imprecis o 2 2 Sensores de Temperatura O sensor de temperatura o elemento chave de uma malha de medi o ou controle A maioria das a es tomadas e
11. ou OpAmp basicamente um dispositivo amplificador de tens o caracterizado por um elevado ganho em tens o imped ncia de entrada elevada imped ncia de sa da baixa e elevada largura de banda Estes dispositivos s o normalmente dotados de uma malha de realimenta o para controle do ganho e s o geralmente associados a outros semelhantes em estruturas de m ltiplos est gios e com fun es que transcendem a simples amplifica o 4 O AmpOp um dispositivo de duas portas ou seja possui dois terminais de entrada e um terminal de sa da que referenciado massa O seu s mbolo el trico apresentado na figura 4 1 um tri ngulo que aponta no sentido do sinal Das duas entradas uma assinalada com o sinal chamada de entrada inversora e a outra a que corresponde o sinal chamada entrada n o inversora A sa da faz se no terminal que se encontra referenciado ao terra O amplificador normalmente alimentado com tens es sim tricas da ordem de 10 V que s o aplicadas aos respectivos terminais de alimenta o V e V Note se que nos esquemas el tricos frequentemente estes terminais s o omitidos representando se apenas as entradas e a sa da O amplificador operacional um amplificador diferencial ou seja amplifica a diferen a entre as tens es presentes as suas entradas Inicialmente os amplificadores operacionais foram utilizados para realizar opera es matem ticas 12 ENTRADA N O VEL INVE
12. passar melhor tentar ainda que em v o que sentar se fazendo nada at o final Eu prefiro na chuva caminhar que em dias tristes em casa me esconder Prefiro ser feliz embora louco que em conformidade viver Martin Luther King iv A minha m e F tima Voltarelli por ter me dado a oportunidade de hoje estar aqui concluindo a primeira etapa da minha vida acad mica A minha namorada Sara por seu amor que muitas vezes n o fui capaz de corresponder a altura por ter estado sempre ao meu lado ensinado me a crescer como pessoa que hoje sou TE AMO Ao meu pai Alcides Bezerra que ensinou me muitas coisas valiosas da vida Aos meus av s Pedro e Teresa que sempre acreditaram e me incentivaram vi Agradecimentos Agrade o primeiramente ao Professor Luiz Carlos de Freitas J nior meu orientador que acreditou em mim e incentivou me para a conclus o deste trabalho face aos in meros percal os do trajeto Alguns experimentos e v rios entendimentos n o teriam sido poss veis sem a colabora o de Carlos Pereira de Lacerda Eu agrade o fraternalmente a todos vil Sum rio 1 1 OBJETIVOS EE 1 1 2 ORGANIZA O DO TRABALHO A 2 2 1 INTRODU O cerai aviatore REE onda donde AEK EAE Eeee URCA CEEE EEE SE EK NEER Sonda E EEEo ER EAE EEEE agr ancas eee 3 22 SENSORES DE TEMPERATURA ic decana aiii 3 2 3 CALIBRA O E AFERI O eege Eed 4 2 4 A ESCOLHA DOES ie 5 3 1 DEFI
13. tempo Al m da Zilog outros novos fabricantes como Mostek NEC SHARP e SGS apareceram O Z80 foi o cora o de muitos computadores como o Spectrum Partner TRS703 Z 3 e Galaxy que foram aqui usados Em 1976 a Intel apareceu com uma vers o melhorada do microprocessador de 8 bits e designada por 8085 Contudo o Z80 era t o superior a este que bem depressa a Intel perdeu a batalha Ainda que mais alguns microprocessadores tenham aparecido no mercado 6809 2650 SC MP etc j tudo estava ent o decidido J n o havia mais grandes melhorias a introduzir pelos fabricantes que fundamentassem a troca por um novo microprocessador assim o 6502 e o Z80 acompanhados pelo 6800 mantiveram se como os mais representativos microprocessadores de 8 bits desse tempo 8 19 6 3 PIC Explicaremos de forma resumida atrav s de um diagrama de blocos o microcontrolador PIC A figura 6 1 apresenta esse diagrama 9 Microcontroller PROGRAM MEMORY Figura 6 1 Diagrama de bloco representando o PIC A mem ria de programa verde ou program memory cont m o programa escrito O programa um conjunto de instru o que o microcontrolador vai desempenhar O software instru es foi escrito em um computador utilizando o MPLAB e ent o programado dentro do programa de mem ria Esta mem ria uma mem ria EEPROM que pode ser reescrita milhares de vezes O REGISTRO e caixa de RAM laranja ou register e ram cont m tod
14. 0 250 1250 510 2550 770 3850 Para a simula o do circuito do amplificado foram utilizados Instrumentos Y 1 gerador de mV para simular o sensor de temperatura v 2 mult metros digitais um na entrada e outro na sa da para a aferi o do amplificador v 1 fonte de alimenta o de 12 V para a alimenta o do CI amplificador Y 1 pront o board para a montagem do circuito Componentes 1 CI LM358 v resistor de 1k Y 1 resistor de 3k3 v 1 trimpot de 1k 38 Com o circuito ligado foi feita a aferi o do amplificador e o levantamento da tabela B2 de funcionamento do mesmo Na figura B2 est o esquema de como foi ligado e aferido o amplificador amp gt Multisim teste amplificador 2 E File Edit View Place Simulate Transfer Tools Options window Help laj x As 4 E amp Ze a aj 25 aja Z ajo zol In Use List SE al KEN E al Ey e E 2 Caj p md ESTE Beach Tran 0 324 s jf teste_amplificador_2 Simulating NUM iniciar 8 2 414 0 O Erplorando Pr EB Amplficador Oe Je Multisim t E Microsoft Excel PID 06 50 Figura B2 Esquema de liga o do amplificador para o levantamento da tabela B2 Tabela B2 Dados obtidos simulando o circuito amplificador no pront o board sendo adquiridos com a leitura dos mult metros Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens
15. A UNIVERSIDADE S O FRANCISCO Curso de Engenharia Mec nica Automa o e Sistemas CONTROLADOR DE TEMPERATURA Alvaro Antunes Bezerra Itatiba S o Paulo Brasil Novembro de 2004 11 A UNIVERSIDADE S O FRANCISCO Curso de Engenharia Mec nica Automa o e Sistemas CONTROLADOR DE TEMPERATURA Alvaro Antunes Bezerra Monografia apresentada disciplina Trabalho de Conclus o de Curso do Curso de Engenharia Mec nica Automa o e Sistemas da Universidade S o Francisco sob a orienta o do Prof Ms Luiz Carlos de Freitas J nior como exig ncia parcial para conclus o do curso de gradua o Orientador Prof Ms Luiz Carlos de Freitas J nior Itatiba S o Paulo Brasil Novembro de 2004 111 Controlador de Temperatura Alvaro Antunes Bezerra Monografia defendida e aprovada em 27 de Novembro de 2004 pela Banca Examinadora assim constitu da Prof Ms Luiz Carlos de Freitas J nior Orientador USF Universidade S o Francisco Itatiba SP Prof Ms C ntia Kimie Aihara USF Universidade S o Francisco Itatiba SP Prof Ms Ant nio de Assis Bento Ribeiro USF Universidade S o Francisco Itatiba SP Ms Luiz Cl udio Marangoni de Oliveira Pesquisador Faculdade de Engenharia Mec nica da Unicamp UNICAMP Universidade Estadual de Campinas Campinas SP melhor tentar e falhar que preocupar se e ver a vida
16. EL adquiriu os direitos sobre a venda 17 deste bloco integral Primeiro eles compraram a licen a companhia BUSICOM que n o tinha a m nima percep o do tesouro que possu a Neste mesmo ano apareceu no mercado um microprocessador designado por 4004 Este foi o primeiro microprocessador de 4 bits e tinha a velocidade de 6 000 opera es por segundo N o muito tempo depois a companhia Americana CTC pediu INTEL e Texas Instruments um microprocessador de 8 bits para usar em terminais Mesmo apesar de a CTC acabar por desistir desta id ia tanto a Intel como a Texas Instruments continuaram a trabalhar no microprocessador e em Abril de 1972 os primeiros microprocessadores de 8 bits apareceram no mercado com o nome de 8008 Este podia endere ar 16KB de mem ria possu a 45 instru es e tinha a velocidade de 300 000 opera es por segundo Esse microprocessador foi o pioneiro de todos os microprocessadores atuais A Intel continuou com o desenvolvimento do produto e em Abril de 1974 p s c fora um processador de 8 bits com o nome de 8080 com a capacidade de endere ar 64KB de mem ria com 75 instru es e com pre os a come arem em 360 Uma outra companhia Americana a Motorola apercebeu se rapidamente do que estava a acontecer e assim p s no mercado um novo microprocessador de 8 bits o 6800 O construtor chefe foi Chuck Peddle e al m do microprocessador propriamente dito a Motorola foi a primeira companhia a fabricar o
17. Estes s o s mbolos que mostram o relacionamento entre as partes e o fluxo dos sinais Nos sistemas em malha aberta a entrada o n vel desejado da grandeza controlada O controlador avalia este sinal e envia um sinal que pode ser el trico ou mec nico ao atuador que o elemento que age no ambiente de modo a alterar a grandeza A figura 3 1 nos mostra o diagrama de blocos de um sistema t pico de controle em malha aberta CONTROLADOR ATUADOR Figura 3 1 Diagrama de blocos de um sistema em malha aberta Um sistema elementar de controle de velocidade de um motor C C comp e se de um reostato resistor ajust vel de pot ncia em s rie com o enrolamento de campo do motor Um operador faz o papel de controlador e ajusta pela sua experi ncia o reostato variando a velocidade do motor que o atuador o sistema n o auto regulado e a velocidade poder mudar conforme a carga isto o esfor o mec nico na sa da Agora se al m dos blocos que compunham o sistema de controle em malha aberta adicionarmos um sensor que reage grandeza f sica enviando um sinal ao bloco somador que subtrai este sinal ao de entrada observe os sinais e nas entradas fornecendo um sinal de erro ao controlador teremos um sistema de malha fechada Este sinal a entrada do controlador que o avalia e tenta corrigir o desvio captado pelo sensor atrav s de um novo comando ao atuador A figura 3 2 abaixo reflete o diagrama de blocos de u
18. NI O DE SISTEMA DE CONTROLE ccccocoocncnonononononnnonononnncnononnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn rn nnnnnnrnnnnnnnrnnnnnnnnnnnnnnnnnns 6 3 2 CONTROLE LIGA DESLIGA OU ON OFF 8 4 AMPLIFICADOR OPERACIONAL sesesssesessessescesoesessossessossesoesoesessossessossesoesoesossossessossesoessesossossessssses LL 4 1 INTRODU O EE 11 4 2 AMPLIPICADORNAO JINVERSOR E EEE A EEEE E E 12 5 LINGUAGENS DE PROGRAMA O esssssscesessesesccsessescceesossesccoesssucceesrssesceoessesecoesosseseeoessssceeesssseseeersss 14 5 1 INTRODU O EE 14 5 2 N VEIS DE TINCGUACGEM is 14 6 O MICROCONTROLADOR PIC ooococconcnconnncncconannccnonnonconannccnonaonccnornnconanconccnnonccnonnocconanocccaracccocanacccnaaroso LO 6 1 INTRODUCA O iii at tala des oia ess 16 6 2 NN 16 6 3 PC 19 6 4 MPEAB esa 21 7 1 EST GIO DE ALIMENTA O FONTE cocoocconcconcconnoonnonnonanonnncn nono nocn nooo nconnonn nono nona non nnnn non nncn nn cn nncnn cin nconncnns 23 12 EST GIO DE AMPLIFICA O AMPOP ooococococonocnonnnonncnnncnnncn nooo noco nono nooo aeee nena nona non nana nn anno nn ca nncnn corn nonacnns 24 viii 7 3 AMPLIFICADOR DE CORRENTE E DEMULTIPLEXADOR DOS DiSbtAxyg 24 7 3 1 ENEE EE N 24 7 3 2 OO E EE 25 8 PLACA PCB egddeNegreesgegted get uesgegte gege eeeEENeeeEeEe EE EeeEeNNEeNEegEOEN EEN geesde E 27 8 1 IR EE EH KEE 27 8 2 TRILHAS LADO DOS COMPONENTES 28 8 3 TRILHAS LADO DA SOLDA crer era nene a eSa 28 8 4 MASCARA DE SOD DA 29 9 RESULTADOS g
19. RSORA SA DA ENTRADA INVERSORA GND Figura 4 1 S mbolo esquem tico el trico de um Amplificador Operacional 4 2 Amplificador N o Inversor Este circuito tem a configura o como mostrada na figura 4 2 Observa se como o sinal de entrada excita o aplicado entrada n o inversora terminal Como resultado a tens o de sinal se encontrar em fase com o sinal de excita o Ou seja o sinal de sa da ter a mesma polaridade do sinal de entrada Neste projeto o sinal de entrada do amplificador aquele que vem da sa da do LM 35 e por sua vez o sinal de sa da do AmpOp o que serve de entrada para o PIC il y N Vin R ER v v o Figura 4 2 Circuito amplificador n o inversor y E Ri Seja Rs 0 ent o v Vin S que v EEN Vout como pelo efeito do curto virtual 5 1 0 E ge Vou RAR b Vout Tornemos expl cita a rela o Lout MT ou V V temos que vin Rj R5 Vin Ri 13 R o A Ee que denominada ganho de tens o de malha fechada atrav s de R2 que liga a 1 sa da entrada inversora do amplificador n o inversor 6 Para esse projeto necessitaremos de um A de aproximadamente 5 Estabelecemos o valor do R em 1 KQ e chegamos ao valor do R2 4 KQ Utilizamos este ganho de 5 para utilizarmos toda a faixa da entrada anal gica do microcontrolador No final do trabalho no ap ndice B est o dispon veis os resultados de s
20. Sensor Existem circuitos integrados destinados a ser sensores de temperatura como o LM 35 da National Semiconductor que oferecem alta precis o possibilitando n o fazer qualquer ajuste no sinal de sa da do mesmo Esta precis o se deve ao fato de utilizar intrinsecamente em sua constru o circuitos linearizados Sua faixa de opera o est entre 55 C a 155 C aproximadamente Estes sensores al m de possuir tamanhos muito reduzidos s o extremamente lineares com fator de escala de 10mV PC Sendo assim a escolha do sensor se baseou nos seguintes crit rios linearidade faixa de funcionamento e disponibilidade do sensor no mercado A figura 2 1 mostra uma foto do LM 35 e traz alguns dados t cnicos do datasheet do componente Temperature Sensor IC LM35 National Semiconductors ev Provides a linear voltage output of 10mV C ina TO 92 plastic package Type LM35CZ LM35DZ Temperature range 40 to 110 C Oto 100 C Accuracy 25 C 0 4 C typ 0 9 C typ Operating voltage 30V to 4V Absolute max voltage 35V 0 24 Quiescent current 5V 91uA typ Figura 2 1 Sensor de Temperatura CI LM 35 da National Semiconductors 3 SISTEMAS DE CONTROLE Esse cap tulo traz uma sucinta explanag o sobre os sistemas de controle Nos concentramos no controle Liga Desliga que especificamente o tipo de controle utilizado no nosso projeto 3 1 Definic o de Sistema de Controle Um Sistema de Controle um conjunto de disp
21. ais como mostra a figura 7 2 e suas principais caracter sticas s o voltagem de offset de entrada Baixo 2 mV baixo custo e corrente de entrada compensada pela temperatura 10 Figura 7 2 Esquema interno do CI LM 358 Na figura 7 2 1 est o esquema do amplificador onde em sua entrada est o sensor de temperatura LM35 e na sa da um diodo zener de 5V1 para a prote o do microcontrolador 5 12 CI TMAS El po IK DZI 5v1 Figura 7 2 1 Esquema do amplificador 7 3 Amplificador de corrente e Demultiplexador dos Displays 7 3 1 O Cl ULN 2003 Circuito integrado que selecionar qual display dever ser ligado composto de 8 conjuntos de transistores Darlington j com os resistores de ligag o conforme figura 7 3 Na figura 7 3 est a descrig o do conjunto de 8 transistores do circuito integrado representados por uma porta NOT com os diodos para proteger os transistores 11 25 2 COM a b Figura 7 3 a Esquema interno de um conjunto e b Descri o completa do CI ULN 2003 Como estes transistores suportam uma corrente de at 500mA foi utilizado para energizar o rel 7 3 2 O Cl 74HC245 um circuito integrado de alta velocidade geralmente utilizado para transfer ncia de dados bi direcionais possui tr s estados de sa da n vel alto n vel baixo e alta imped ncia neste projeto foi utilizado apenas como um buffer para diminuir a corrente dos pinos do microc
22. ais rapidamente Ap ndice A Aferi o do Sensor LM35 Tabela A 1 Tabela de aferi o do LM35 inserido na placa do controlador Temperatura Valor de Entrada referente temperatura mV tens o C lido C 0 00 0 00 0 00 10 00 1 00 0 90 20 00 2 00 2 00 29 99 3 00 3 00 40 08 4 01 3 90 50 02 5 00 4 90 60 04 6 00 5 90 70 08 7 01 6 90 80 07 8 01 7 90 90 06 9 01 8 90 100 08 10 01 9 90 150 08 15 00 14 90 199 90 19 99 19 90 250 10 25 01 25 00 300 03 30 00 30 00 349 90 34 99 35 00 400 30 40 03 40 10 450 30 45 03 45 10 500 10 50 01 50 10 550 20 55 02 55 10 600 10 60 01 60 00 650 00 65 00 65 00 700 10 70 01 69 80 750 30 75 03 74 60 800 30 80 03 80 20 850 80 85 08 85 30 900 00 90 00 90 30 950 10 95 01 95 30 997 10 99 71 99 90 Com os valores dos resistores definidos foi simulado o teste no Multisim A figura B1 Ap ndice B Simula o do est gio de Amplifica o apresenta o circuito para simula o E Multisim teste amplificador Ea File Edit View Place Simulate Transfer Tools Options Window Help Ready jejej e 8 2 ajaj Tran 0 023 Rapa oS pucca sl soov LS Y Dll FE teste amplificador Simulating A Iniciar yes A2 GJ Explorando Projetos Y fm Amplificador Operacion a Multisim teste a RED 06 18 Figura B1 Montagem do amplificador para levan
23. as figuras abaixo a placa est detalhada em escala 1 1 8 1 LAY OUT CARLOS DE FREITAS JR nt zf o e o DISPLAY CAS DE CIRCUITO IMPRESSO CIRCUIT S 019 3862 6902 RA RF RG RE RD RC RPT ae LS Figura 8 1 Lay out da placa de circuito impresso eng G 0 o E Ls a ge roo oy D o e a Y KI ES e oo o Ki a o a e Figura 8 3 Desenho das trilhas lado da solda 29 8 4 MASCARA DE SOLDA Figura 8 4 Mascara de solda da placa de circuito impresso 9 RESULTADOS Neste cap tulo apresentamos o ambiente onde foi feita a tomada de resultados e apresentamos uma curva de leitura dos dados na tentativa de demonstrar o perfeito funcionamento do controlador em quest o 9 1 A Planta Para a obten o dos resultados foi desenvolvido o primeiro programa planta utilizando o Labview A figura 9 1 apresenta o esquema da planta Na planta ele est fazendo a leitura do sensor tirando uma media de 30 leituras multiplicando 100 somando 0 5 C para corrigir a diferen a que ouve nos 2 sensores do local para enviar os dados para o gr fico e o valor da temperatura 30 Temperatura RELE LIGADO Temperatura controlada RELE DESLIGADO Figura 9 1 Esquema do primeiro programa desenvolvido no Labview O ambiente Labview foi escolhido devido a disponibilidade do equipamento software na institui o flexibilidade confiabilidade do mesmo E do nosso interesse apresentar
24. desgastar o controlador e o atuador pelo excesso de partidas Neste tipo de a o o controlador modelado geralmente por um rel e pode ser representado pelo diagrama de blocos mostrado na figura 3 3 Rele Figura 3 3 Diagrama de blocos de um t pico controlador ON OFF O sinal de controle u t pode assumir apenas dois valores conforme o erro seja positivo ou negativo Em outras palavras tem se E see t gt 0 u t U see t lt 0 3 1 Este tipo de fun o pode ser implementada como um simples comparador ou mesmo um rel f sico Note que neste caso ter amos uma inconsist ncia em zero e na presen a de ru dos ter amos chaveamentos esp rios quando o sinal e t for pr ximo de zero Para evitar este tipo de problema utiliza se na pr tica o que chamamos de controlador liga desliga com histerese u t El e t U2 Figura 3 4 Curva de Histerese 10 Com este tipo de controlador temos o seguinte comportamento que apresentado na figura 3 4 e Se u t Us necess rio que o valor de e t des a abaixo de E2 t para que haja um chaveamento para U2 e Se u t Us necess rio que o valor de e t ultrapasse o valor de E para que haja um chaveamento para U A figura 3 5 mostra a curva de resposta em malha fechada e o respectivo sinal de controle para um sistema com controlador liga desliga com histerese Note que em regime permanente a sa da do sistema apresenta uma osc
25. e integra o permitiu o aparecimento de circuitos integrados contendo simultaneamente processador e perif ricos Foi assim que o primeiro chip contendo um microcomputador e que mais tarde haveria de ser designado por microcontrolador apareceu 6 2 Hist ria no ano de 1969 que uma equipa de engenheiros japoneses pertencentes companhia BUSICOM chega aos Estados Unidos com a encomenda de alguns circuitos integrados para calculadoras a serem implementados segundo os seus projetos A proposta foi entregue INTEL e Marcian Hoff foi o respons vel pela sua concretiza o Como ele tinha tido experi ncia de trabalho com um computador PC PDP8 lembrou se de apresentar uma solu o substancialmente diferente em vez da constru o sugerida Esta solu o pressupunha que a fun o do circuito integrado seria determinada por um programa nele armazenado Isso significava que a configura o deveria ser mais simples mas tamb m era preciso muito mais mem ria que no caso do projeto proposto pelos engenheiros japoneses Depois de algum tempo embora os engenheiros japoneses tenham tentado encontrar uma solu o mais f cil a id ia de Marcian venceu e o primeiro microprocessador nasceu Ao transformar esta id ia num produto concreto Frederico Faggin foi de uma grande utilidade para a INTEL Ele transferiu se para a INTEL e em somente 9 meses teve sucesso na cria o de um produto real a partir da sua primeira concep o Em 1971 a INT
26. ege deed dee a sra cs ins seas dee deg Eed 29 9 1 E NEE 29 9 2 IR OR DEER 31 9 3 ag On 33 10 CONCLUSA O aa EE 34 10 1 Ek NC EE 34 AP NDICE A AFERI O DO SENSOR EM35 csiscssseasssasedessanie crua vassionesa des bas Cadu ENEE EECH 35 AP NDICE B SIMULA O DO EST GIO DE AMPLIFICA O enee 36 AP NDICE C O PROJETO saia id Cd 40 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS een 44 BIBLIOGRAFIA CONSULTADA oococcoconconosnoncononcsnosaoncsnosconosnosocnconosaonconosoonconoacnconosocnconocconconosocoronosocnronosocnrnos 45 IX BEZERRA lvaro Antunes Controlador de Temperatura 2004 35f Trabalho de Conclus o de Curso Curso de Mec nica Automa o e Sistemas da Universidade S o Francisco Campus de Itatiba Resumo Esta monografia apresenta o projeto de um controlador de temperatura usando como unidade de controle o microcontrolador PIC 16F870 da Microchip8 O Projeto do controlador foi baseado em um sensor de temperatura ambiente desenvolvido e comercializado pela Montrel Controles Eletr nicos LTDA situada em Mogi Gua u SP local de trabalho do autor Contudo o projeto aqui apresentado se distingue daquele da Montrel principalmente pela fun o de controle Todas as etapas do projeto ser o apresentadas desde os fundamentos te ricos em que nos baseamos at o layout da placa do circuito passando pela programa o em assembly do microcontrolador PIC PALAVRAS CHAVE microcontrolador PIC controle de temperatura s
27. ema do projeto confeccionado usando o Protel Tamb m do Protel vem a placa de circuito impresso mostrado na figura C2 Para dar um fechamento melhor do projeto mostramos atrav s da tabela C1 um descritivo de valores em Reais dos componentes do projeto aqui desenvolvido Design Explorer C Meus documentostcontarcond ddb ial x mp File Edit View Place Design Tools Simulate PLD Reports Window Help l x EELTE 0OOGS Ala contarcond ddb Documents EA Copy of controlador Sch HA Iniciar Des TA 45 BJ Explorando Tec 9 microtec Microsoft Word le clienta9se ED 0246 Figura C1 Esquem tico do controlador de temperatura SS mp File Edit Se Place Design TES Auto Route Reports Window Help RR eus LPPBBo am ANTI Y UN Fett A 41 lexi le x TopLayer ABottomLayer TopOverlay BottomOverlay MultiL ayer lniciar Ss 8 SI AS Ay Explorando Tec 9 microtec Microsoft Word E Client99se 2 02 55 Figura C2 Layout da placa de circuito impresso do controlador de temperatura LUIZ CARLOS DE FREITAS JR ORIENTADOR Y c ETA d DISPO As e lt 5 ei 3 i 3 Te D E ai S PLACAS DE CIRCUITO WPRESO CIR Ae RE RD RC AP e E e PICIOFE7O Dg CRE of A q ANTUNES BEZERRA tz Pas cs MONTREL CONTROLES ELETRONICOS RLI D s 200 bh can SEL MAJO E ARO FINDERIZV Figura C3 Placa e circuito impresso Para entras em modo de programa o pr
28. ensores de temperatura Abstract This monograph shows the design of a temperature controller using like as control unity the PIC 16F870 microcontroller by Microchip M the design of the controller was based in a environment temperature sensor developed and commercialized by Montrel Controles Eletr nicos LTDA at Mogi Gua u SP where the author works However the project shown here is differs from that one of Montrel mainly for the control function Each step of the project will be shown from the theoretic concepts in which based us to the layout of the printed circuit board passing trough the programming in assembly language of the PIC KEY WORDS PIC microcontroller temperature control temperature sensors 1 INTRODU O As primeiras medi es de temperatura registradas que foram realizadas por Galileu seu termosc pio encontra se no museu de Floren a a partir de um termosc pio term metro cujo o tm 173 2 4 princ pio f sico era a expans o do ar Na ocasi o sua escala segundo seus registros estava dividida em graus de calor 1 Com o in cio da 1 Revolu o Industrial houve uma transforma o nos meios produtivos marcada pela substitui o do trabalho artesanal e muscular do homem por m quinas motrizes A chamada mecaniza o Com a automatiza o da produ o surgiu um ramo da engenharia exclusivamente voltado para projeto especifica o fabrica o montagem op
29. era o e manuten o de instrumentos a equipamentos envolvidos diretamente com a medi o e controle das vari veis de processo ou seja a Engenharia de Instrumenta o O objetivo maior da monitora o das vari veis e controle em processos industriais obter produtos de alta qualidade com melhores condi es de rendimento e seguran a a custos de produ o compat veis com o mercado consumidor Nas ind strias em geral sejam elas qu micas petroqu micas cer micas farmac uticas sider rgicas papel a celulose fibras t xteis aliment cias bem como nas usinas hidrel tricas termoel tricas nucleares a plantas de tratamento de efluentes industriais a obten o do produto final especificado conseguida pelo controle indireto da composi o dos materiais envolvidos Para tanto deve se selecionar as vari veis de processo que influem no produto final 1 1 Objetivos Esse trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um controlador de temperatura utilizando o microcontrolador PIC como unidade de controle A escolha desse microcontrolador foi baseada no simples manuseio e programa o do mesmo e pela populariza o do seu uso Al m disso podemos acrescentar o fato do mesmo ser de baixo custo como poder ser visto no descritivo do projeto aqui apresentado 1 2 Organiza o do trabalho No cap tulo 2 foi feito um estudo sobre sensores explicando sua fun o as opera es de calibra o e afer
30. ession SETP SETPOINT de controle Para risualizar o ralar tecie ENT Utilizo as setas ou para alterar p valor Para sabrar o valor teche ENT Tabela C1 Descritivo de pre os dos componentes do controlador de temperatura Figura C4 Projeto do controlador montado A x CEO konns Quantidade Descri o dos componentes Pre o Subtotal 1 Porta fus vel p Cl 20mm R 0 65 R 0 65 1 Capa de porta fus vel 20mm R 0 30 R 0 30 1 Fus vel de vidro 0 5A 20mm R 0 08 R 0 08 1 Transformador 12 12 250mA R 5 54 R 5 54 2 Diodo 1N4007 R 0 03 R 0 06 1 Diodo 1N4148 R 0 03 R 0 03 1 Diodo Zenner 5V1 R 0 09 R 0 09 1 Cl 7805 R 0 78 R 0 78 1 CI 7812 R 0 51 R 0 51 1 CI LM 35 R 4 00 R 4 00 1 CI ULN 2003 R 0 54 R 0 54 1 CI PIC 16F870 R 18 36 R 18 36 1 Cl 74HC245 R 0 80 R 0 80 1 CI LM 358 R 0 32 R 0 32 5 Capacitor Epox 1 uf R 0 13 R 0 65 2 Capacitor Cer mico 22pf R 0 05 R 0 10 1 Capacitor Epox 22u f R 0 29 R 0 29 1 Capacitor Eletr 1000 35 R 0 76 R 0 76 2 Capacitor Eletr 220 25 R 0 28 R 0 56 1 Capacitor Eletr 1 50 R 0 09 R 0 09 1 Cristal 4 MHz R 0 68 R 0 68 1 Trimpot precis o 1K R 1 71 R 1 71 42 1 Led vermelho 3mm R 0 11 R 0 11 1 Rele Finder 12V 36 11 R 2 00 R 2 00 4 Display HDSP H103 Vm 14 2 R 9 81
31. i o e o processo de escolha do sensor de temperatura No cap tulo 3 falamos sobre os sistemas de controle e nos concentramos no controle ON OFF que foi efetivamente utilizado no projeto do nosso controlador No cap tulo 4 o tema desenvolvido foi do Amplificador Operacional Falamos principalmente sobre o amplificador n o inversor presente no est gio de amplifica o da sa da do LM35 No cap tulo 5 apresentamos um breve coment rio sobre linguagens de programa o tendo em vista que necessitar amos de programar o microcontrolador PIC No cap tulo 6 mostramos um pequeno hist rico do PIC e sua estrutura interna atrav s de um diagrama de blocos Falamos ainda sobre o MPLAB que pacote computacional envolvido na programa o do microcontrolador No cap tulo 7 tratamos de apresentar os est gios do circuito do controlador de temperatura tecendo coment rios sobre componentes mais dedicados presentes no projeto No cap tulo 8 esta o desenho da placa de circuito impresso em escala 1 1 No cap tulo 9 falamos dos resultados obtidos utilizando o Labview No cap tulo 10 falamos sobre nossas conclus es a respeito do trabalho realizado 2 SENSORES Neste cap tulo abordaremos a fun o dos sensores de temperatura e explicar mos de forma sucinta os processos de calibra o e aferi o dos mesmos bem como os crit rios de escolha do sensor de temperatura LM 35 da National Semiconductor 2 1 Introdu
32. if ceis de se interpretar S o escritas usando as instru es do microprocessador do computador S o genericamente chamadas de linguagens Assembly Esta linguagem t m como vantagens uma maior velocidade de processamento na execu o dos programas e a minimizar o do espa o ocupado da mem ria pelo mesmo Entretanto geralmente um programa em Assembly tem pouca portabilidade isto um c digo gerado para um tipo de processador n o serve para outro C digos Assembly n o s o estruturados tornando a programa o mais dif cil 15 As linguagens de alto n vel s o linguagens voltadas para o ser humano Em geral utilizam sintaxe estruturada tornando seu c digo mais leg vel Necessitam de compiladores ou interpretadores para gerar instru es ao microprocessador Interpretadores fazem a interpreta o de cada instru o do programa fonte executando a dentro de um ambiente de programa o Compiladores fazem a tradu o de todas as instru es do programa fonte gerando um programa execut vel Estes programas execut veis exe podem ser executados fora dos ambientes de programa o Em conseguinte este tipo de linguagem possui vantagens em rela o s linguagens de baixo n vel Por serem compiladas ou interpretadas as linguagens de alto n vel tem maior portabilidade podendo ser executados em varias plataformas com pouqu ssimas modifica es Em geral a programa o torna se mais f cil em conseqii ncia do maior ou menor g
33. ila o em torno do valor da refer ncia Este fato denota a baixa precis o obtida com este tipo de controlador A amplitude e a fregii ncia da oscila o s o fun es do intervalo E E2 A determina o do intervalo TE EsJdeve ser feita levando se em considera o a precis o desejada os n veis de ru do e a vida til dos componentes 1 5 1 os o 0 5 o 2 4 6 8 10 12 14 15 18 20 ts 0 5 5 o 0 5 1 o 2 4 e 8 10 12 14 15 18 20 Hat Figura 3 5 Controle ON OFF A a o de controle liga desliga pode assim ser considerada a a o de controle mais simples e mais econ mica Entretanto este tipo de a o possui limita es no que diz respeito ao comportamento din mico e em regime permanente do sistema em malha fechada Suas aplica es restringem se a sistemas onde n o necess rio precis o nem um bom desempenho din mico Como exemplos corriqueiros de aplica o deste tipo de controle temos termostato da geladeira controle de n vel da gua a partir de b ias 11 4 AMPLIFICADOR OPERACIONAL Este cap tulo apresenta alguns dos principais conceitos dos amplificadores operacionais No nosso projeto o AmpOp aparece como elemento fundamental no tratamento amplifica o do sinal de sa da do LM 35 j que esse sinal necessita de um ganho para atingir os valores de tens o necess rios pelo conversor A D interno do PIC 4 1 Introdu o Um amplificador operacional abreviadamente AmpOp
34. imula o do est gio de amplifica o usando o AmpOp em circuito integrado CI LM338 14 5 LINGUAGENS DE PROGRAMA O Neste cap tulo iremos tratar de forma muito breve sobre a linguagem assembly que foi utilizada como forma de instruir o PIC para realizar as tarefas destinadas a ele 5 1 Introdu o Um programa de computador um conjunto de instru es que representam um algoritmo para a resolu o de algum problema Estas instru es s o escritas atrav s de um conjunto de c digos s mbolos e palavras 7 Este conjunto de c digos possui regras de estrutura o l gica e sint tica pr pria Dizemos que este conjunto de s mbolos e regras formam uma linguagem de programa o Podemos dizer que linguagem de programa o nada mais do que uma nota o formal para descrever a execu o de algoritmos em computadores Existem muitas linguagens de programa o Podemos escrever um algoritmo para resolu o de um problema por interm dio de qualquer linguagem 5 2 N veis de Linguagem Podemos dividir genericamente as linguagens de programa o em tr s grupos as linguagens de m quina as linguagens de baixo n vel e as linguagens de alto n vel 7 A linguagem de m quina aquela que o computador entende e usa somente os n meros 1 e 0 Linguagens de baixo n vel s o linguagens voltadas para a m quina isto a mais pr xima da linguagem de m quina seus c digos s o abreviados e portanto d
35. l gicos ou digitais deste tipo Os sistemas de controle tamb m se dividem em anal gicos e digitais conforme os sinais manipulados pelo controlador Veja que as grandezas f sicas s o sempre anal gicas variando desde um valor m nimo a um m ximo continuamente Nos sistemas anal gicos todos os sinais s o anal gicos e o controle feito em tempo integral O sistema de controle mais simples e em geral mais econ mico Suas desvantagens s o a pouca flexibilidade pois s se pode alterar alguns par metros n o o tipo de a o de controle a menos que se altere o controlador Os sistemas de controle digitais s o mais complexos pois requerem sempre uma interface de entrada ou seja um conversor anal gico digital que converte os sinais de forma a serem entendidos pelo controlador e uma interface de sa da ou seja um conversor digital anal gico adaptando a sa da do controlador Esta interface de sa da nem sempre necess ria j que muitos atuadores s o digitais Estes sistemas diferenciam se por atuarem por amostragem de tempos em tempos o controlador atua de acordo com o programa de controle formando ciclos entre os quais o sistema n o reage Seu custo mais elevado contrabalan ado pela grande flexibilidade basta alterar o programa para mudar o tipo de a o de controle e seus par metros As partes dos sistemas de controle costumam ser representadas graficamente atrav s de diagramas de blocos
36. m sistema de controle de malha fechada ENTRADA SAIDA SOMADOR CONTROLADOR ATUADOR REALIMENTA O SENSOR Figura 3 2 Diagrama de bloco de um sistema de controle de malha fechada Observa se que a precis o do sistema de controle de malha fechada depende tanto do controlador e atuador como ocorre no sistema de malha aberta quanto do sensor que tem de ser o mais linear poss vel A forma de controle utilizado o controle liga desliga 3 2 Controle Liga desliga ou ON OFF Nessa classe de controle o controlador compara o sinal de entrada com a realimenta o e se a sa da supera a entrada desliga o atuador se a realimenta o for menor liga o atuador 3 Podemos citar como exemplo as geladeiras onde o compressor controlado por um termostato que um controlador liga desliga com par bimet lico quando a temperatura fica abaixo de um certo valor onde um dos metais se dilata mais que o outro vergando se e abrindo o contato e fazendo com que se desligue o compressor Ao se desligar o compressor o ambiente faz a temperatura mudar algum tempo depois o bimet lico retorna posi o fechando o contato e ligando o compressor novamente As vantagens deste controlador s o a simplicidade e o baixo custo as desvantagens s o a continua oscilag o da sa da entre os limites de atuag o do controlador conhecida como histerese Esta oscila o n o garante a precis o e pode
37. m um processo baseia se nas informa es fornecidas por ele Da confiabilidade dessa informa o e do controlador depende a precis o do controle do processo O controle de temperatura necess rio em processos industriais ou comerciais tais como a refrigera o de alimentos e compostos qu micos fornos de fus o produ o de metais e ligas produ o de bebidas e derivados de petr leo usinas nucleares aquecedores fornos e refrigeradores dom sticos e industriais ou seja uma infinidade de aplica es 2 3 Calibra o e Aferi o Todos os sensores de temperatura s o fabricados e fornecidos com limites de erro permiss veis denominada faixa de toler ncia Quando se faz necess rio verificar se um sensor de temperatura apresenta valores dentro da sua faixa de toler ncia ou ainda quando importante reduzir a incerteza de medi o do sensor preocupa o que ocorre em casos especiais existem dois procedimentos que podem ser realizados 2 e Aferir o sensor de temperatura Consiste no levantamento da curva de resposta do sensor para verificar se a mesma est dentro dos limites de toler ncia fornecidos pelo fabricante e Calibrar o sensor de temperatura Consiste no levantamento da curva de resposta do sensor Este procedimento usualmente feito quando se deseja ter um sensor de temperatura que ir ser um padr o de temperatura ou quando se necessita de uma medig o com precis o melhor do que a fornecida pelo
38. ontrolador e por possuir entradas em um lado do componente e a sa da no outro lado dependendo da configura o feita no pino DIR pino n 1 que foi ligado no positivo da fonte de 5V para habilitar o seu funcionamento ligamos o pino OE pino n 19 que foi ligado ao GND 12 Estes dois circuitos integrados s o respons veis pela demultiplexac o dos 4 displays de 7 segmentos presentes neste projeto ambos s o controlados pelo microcontrolador A pinagem do CI 74HC245 mostrado na figura 7 3 a seguir He a b Figura 7 3 a Descri o dos pinos e b esquema interno do CI 74HC245 O funcionamento do circuito integrado 74HC245 est representado na tabela 7 1 Tabela 7 1 Tabela verdade do circuito integrado 74HC245 FUNCTION TABLE INPUTS INPUTS OUTPUTS L L A B L H inputs H H Z zZ Notes 1 H HIGH voltage level L LOW voltage level X dont care Z high impedanos OFF state Utilizamos o CI 74HC245 apenas como um buffer para que a corrente do display n o fique em cima do microcontrolador Ele normalmente utilizado para transmiss o de dados bidirecionais mas em nosso projeto o configuramos como mostra na tabela 8 1 para ele transmitir os dados de A para B Figura 7 3 1 Esquema do demultiplexador dos displays 27 8 PLACA PCB Utilizamos o software Protel para a confec o da placa de circuito impresso que foi desenvolvida pela empresa Circuits localizada na cidade de Mogi Mirim N
39. os os registros internos e uma pequena mem ria de RAM onde voc pode armazenar dados tempor rios H v rios registros com fun es diferentes A mem ria RAM possui 64 128 bytes H outra chave de mem ria que trabalhar o mesmo como a RAM e que a EEPROM amarela ou eeprom Isto uma pequena mem ria onde voc pode ler e escrever os dados Estes dados n o ser o perdidos quando desligarmos o microcontrolador Na pr xima vez que o ligarmos esses dados que est o na EEPROM ser o lidos novamente A ltima caixa azul ou ports a porta deste circuito A porta a entrada e sa da do circuito real sendo poss vel definir como entrada ou sa da ler e escrever os dados nestas portas 20 A Pinagem do microcontrolador PIC16F870 est amostrada na figura 6 2 Nela s o mostrados os pinos de hardware do componente MGLA Ve TH Bir RETIPGD RAQANO si 2 REGIPGC RATAN O 3 RES RAJANAVREF 4 Cl RB4 RAJANIWRER 5 REBSIPGM rasmock I 6 gt ap RB2 RASAN 0 7 ra R I Was B Lo e RBONNT oscucLkIN 9 O voo OSC2CLKOUT O 10 a vss RONTIOSOTICK I 11 180 RCTIRNIDT REVTIOS 17119 RCGTXICK Figura 6 2 Pinagem do PIC 16F870 Os terminais 9 e 10 foram conectados a um cristal para obter um sinal de clock interno Os terminais 8 19 e 20 s o a alimenta o do microcontrolador O terminais 1 o reset do microcontrolador O
40. ositivos que mant m uma ou mais grandezas f sicas dentro de condi es definidas na sua entrada Os dispositivos que o comp e podem ser e t tricos mec nicos pticos e at seres humanos 3 As grandezas f sicas controladas s o varias as mais comuns s o temperatura press o vaz o n vel de liquidos ou s lidos velocidade freqii ncia posig o linear ou angular tens o corrente e luminosidade A entrada do sistema pode ser o ajuste feito nos bot es no painel do controlador nos sistemas de controle anal gicos ou atrav s de um programa nos sistemas de controle digitais com microprocessador Quanto estrutura um sistema de controle pode ser de malha aberta no qual a entrada define o comportamento do controlador c rebro do sistema e este responde agindo no ambiente sem verificar depois se o n vel da grandeza f sica corresponde de fato entrada n o h sensor para observar algum eventual desvio nem realimenta o para corrigi lo Os sistemas de malha fechada verificam a ocorr ncia de desvios pois cont m um sensor que monitora a sa da fornecendo um sinal que retorna entrada formando uma malha de realimenta o A entrada e esta realimenta o se juntam num comparador que combina ambos e fornece um sinal de erro Diferen a entre os sinais orienta o controlador Os sistemas de controle em malha fechada s o mais precisos pois detectam e corrigem os desvios A maioria dos sistemas atuais ana
41. rau de estrutura o de suas linguagens No entanto geralmente as rotinas geradas em linguagem de m quina ou de alto n vel s o mais gen ricas e portanto mais complexas ocupando assim mais espa o na mem ria deixando as mais lentas O assembly em conclus o a linguagem que o microcontrolador e o homem usam para comunicar entre si 8 Os programas escritos em linguagem assembly devem ser traduzidos para uma linguagem de zeros e uns de modo a que um microcontrolador a possa receber O processo em que essa comunica o se d est mostrado na figura 5 1 rem E fo Homem Figura 5 1 O processo de comunica o entre o homem e o microcontrolador 16 6 OMICROCONTROLADOR PIC Aqui apresentaremos um hist rico e um pouco de hist ria do PIC que conforme j foi falado nesse trabalho alcan ou um grau alt ssimo de popularidade A programa o usada ser disponibilizada em anexo 6 1 Introdu o As circunst ncias que se nos deparam hoje no campo dos microcontroladores t m os seus prim rdios no desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados Este desenvolvimento tornou poss vel armazenar centenas de milhares de transistores num nico chip Isso constituiu um pr requisito para a produ o de microprocessadores e os primeiros computadores foram constru dos adicionando perif ricos externos tais como mem ria linhas de entrada e sa da temporizadores e outros Um crescente aumento do n vel d
42. s demais terminais s o as portas entradas ou sa das Possuem varias outras fun es e podem ser utilizados para v rios prop sitos Neste projeto utilizamos esses terminais apenas como entradas e sa das Registros Internos H v rios registros internos no microcontrolador Cada registro tem um endere o No datasheets est o cada um desses registros e sua utiliza o Os registros est o divididos dentro de quatro se es Banco 0 Banco 1 Banco 2 e Banco 3 Antes de acessar um registro necess rio observar em qual banco este registro se executa O PIC16F870 tem 35 instru es 21 O arquivo asm o c digo em que foi escrito o programa utilizando o software MPLAB Para transformarmos o c digo de asm para hex utilizamos o software MPASM que transforma seu c digo para instrug o para no microcontrolador este programa checa que n o h algum erro no c digo Tamb m gerado um arquivo Jet que mostra caso houve algum erro no programa indicando a linha e a mensagem de erro 6 4 MPLAB Para desenvolver o programa no microcontrolador foi utilizado o software da Microchip MPLAB e para a convers o em linguagem de m quina o MPASM O MPLAB um pacote de programas que funcionam no Windows e que tornam mais f cil escrever ou desenvolver um programa Pode descrever se ainda melhor como sendo um ambiente de desenvolvimento para uma linguagem de programac o Standard e destinado a rodar em um computador pessoal PC 8
43. tamento da tabela B1 TE a ER NUM Simulando a entrada do amplificador operacional com uma fonte de tens o e na sa da um mult metro obtivemos a tabela B1 de funcionamento do amplificador Tabela B1 Resultados obtidos da simula o do amplificador Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de Tens o de entrada mV Sa da mV entrada mV Sa da mV entrada mV Sa da mV entrada mV Sa da mV 0 0 260 1300 520 2600 780 3900 10 50 270 1350 530 2650 790 3950 s Dto 37 20 100 280 1400 540 2700 800 4000 30 150 290 1450 550 2750 810 4050 40 200 300 1500 560 2800 820 4100 50 250 310 1550 570 2850 830 4150 60 300 320 1600 580 2900 840 4200 70 350 330 1650 590 2950 850 4250 80 400 340 1700 600 3000 860 4300 90 450 350 1750 610 3050 870 4350 100 500 360 1800 620 3100 880 4400 110 550 370 1850 630 3150 890 4450 120 600 380 1900 640 3200 900 4500 130 650 390 1950 650 3250 910 4550 140 700 400 2000 660 3300 920 4600 150 750 410 2050 670 3350 930 4650 160 800 420 2100 680 3400 940 4700 170 850 430 2150 690 3450 950 4750 180 900 440 2200 700 3500 960 4800 190 950 450 2250 710 3550 970 4850 200 1000 460 2300 720 3600 980 4900 210 1050 470 2350 730 3650 990 4950 220 1100 480 2400 740 3700 1000 5000 230 1150 490 2450 750 3750 240 1200 500 2500 760 380
44. ue houve um perfeito casamento entre os conceitos te ricos e pr ticos seguidos para a execu o do projeto e que nos foram ensinados ao longo do per odo de curso nesta institui o de ensino superior Foi observado que apesar da limita o do controlador ON OFF e do sistema a ser controlado ter alguns inconvenientes por exemplo o tempo de resfrio o acionamento do controle de temperatura via rel funcionou perfeitamente Se faz necess rio ressaltar o car ter multidisciplinar do projeto envolvendo as reas integrantes do curso da engenharia mecatr nica que s o a eletr nica e o controle Assim acreditamos ter chegado ao objetivo que se presta o Trabalho de Conclus o de Curso 10 1 Extens es Este trabalho pode ser continuado e melhorado futuramente Sugerimos alguns pontos o Implementa o de controle PID Proporcional Integrativo e Derivativo que vai melhorar o tempo de transit rio e a estabilidade do sistema o Utiliza o da mesma placa para controle de outras vari veis tempo umidade etc o Utiliza o de outros componentes mais robustos e mais complexos que n o comprometam o baixo custo do projeto original aqui apresentado Por exemplo o uso de um sensor com sa da j amplificada evitando o est gio de amplifica o presente no nosso projeto o Um acess rio tipo ventoinha poderia ser colocado no sistema para que a ventila o do sistema ferro de solda fizesse com que a temperatura baixasse m
45. utros perif ricos como os 6820 e 6850 Nesta altura muitas companhias j se tinham apercebido da enorme import ncia dos microprocessadores e come aram a introduzir os seus pr prios desenvolvimentos Chuck Peddle deixa a Motorola para entrar para a MOS Technology e continua a trabalhar intensivamente no desenvolvimento dos microprocessadores Em 1975 na exposi o WESCON nos Estados Unidos ocorreu um acontecimento cr tico na hist ria dos microprocessadores A MOS Technology anunciou que ia p r no mercado microprocessadores 6501 e 6502 ao pre o de 25 cada e que podia satisfazer de imediato todas as encomendas Isto pareceu t o sensacional que muitos pensaram tratar se de uma esp cie de vigarice considerando que os competidores vendiam o 8080 e o 6800 a 179 cada Para responder a este competidor tanto a Intel como a Motorola baixaram os seus pre os por microprocessador para 69 95 logo no primeiro dia da exposi o Rapidamente a Motorola p s uma a o em tribunal contra a MOS Technology e contra Chuck Peddle por viola o dos direitos de autor por copiarem ao copiarem o 6800 A MOS Technology deixou de fabricar o 6501 mas continuou com o 6502 O 6502 um microprocessador de 8 bits com 56 instru es e uma capacidade de endere amento de 64KB de mem ria Devido ao seu baixo custo o 6502 18 torna se muito popular e assim instalado em computadores como KIM 1 Apple I Apple II Atari Comodore Acorn Oric Galeb Orao
46. view 9 3 Alternativa O ferro de solda esquenta muito r pido e n o consegue aquecer o tarugo com a mesma intensidade Quando o tarugo chega na temperatura de controle o ferro de solda est muito mais quente por este motivo a temperatura continua subindo mesmo com ferro de solda desligado Para corrigirmos este problema da variag o de temperatura nos foi sugerida por alguns professores a adaptac o de um mini ventilador acoplado ao sistema de aquecimento Quando O sistema atingir a temperatura escolhida para o controle o mini ventilador deveria ligar par acelerar o resfriamento do ferro de solda Um outro problema que aconteceu no circuito foi que utilizamos um diodo zener de 5V1 com o intuito de proteger o microcontrolador caso a temperatura ultrapasse 100 C Este diodo quando chegava perto do valor nominal come ava a bloquear a passagem da tens o para o microcontrolador ent o os valores de temperatura entre 75 a 90 C estavam sendo indicados 34 errados Para solucionar este problema retiramos este componente e trabalhamos em uma faixa mais estreita para valores de temperatura 10 CONCLUS O Esse trabalho buscou como contribui o mais importante uma alternativa economicamente mais interessante e com grau de efici ncia dentro de limites aceit veis projetar um controlador de temperatura com aplica o do microcontrolador PIC 16F870 Os resultados obtidos atrav s do prot tipo projetado e montado indicam q
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