Simulação Proteus - Layout 04: Circuito com Microcontrolador

Escolha do Microcontrolador

Uma vez que o hardware do projeto está praticamente todo desenvolvido, está na hora de começarmos a desenvolver o software.

Para o nosso projeto, necessitamos de um microcontrolador que atenda às seguintes características:

• Tenha pelo menos um pino destinado à um canal para conversor analógico digital;
• 6 pinos destinados ao LCD, sendo 4 para dados e 2 para controle;
• I/Os livres para ser usados em aplicações (como acionamento de uma carga, led, etc) .

A família escolhida foi a do PIC, comercializada pelo fabricante Microchip.

Esta escolha foi particular, uma vez que os integrantes do grupo já tinham certa experiência com o desenvolvimento de projetos  utilizando este microcontrolador.

Para atender todos os pré requisitos acima, escolhemos o microcontrolador PIC16F877a.

Figura 1 - Vista do encapsulamento de um PIC16F877a

Figura 2 - Vista da pinagem de um PIC16F877a

Simulação Proteus - definição de polinômio de conversão (Tensão x Temperatura)

Microprocessadores e Microcontroladores

Breve histórico dos Microprocessadores e Microcontroladores

A história do microcontrolador surgiu em 1969, quando a empresa japonesa BUSICON iniciou um projeto para uma calculadora eletrônica. À procura de Marcian Hoff da Intel Corporation, a empresa enviou aos EUA um grupo de engenheiros a fim de formarem pesquisas para este projeto. Marcian, que já atuava no ramo da informática, ficou fascinado com a ideia, e então propôs desenvolver um chip que, não fosse aplicado somente à calculadora, mas sim a qualquer projeto que pudesse ser programável.

Rapidamente, a Intel Corporation comprou a licença da empresa japonesa, e em 1971 lançou o seu primeiro processador de 4 bits, cujo nome era 4004.Em abril de 1972, dando continuidade à seu projeto, a Intel anuncia seu primeiro processador de 8 bits, o 8008. A ideia era muito boa para permanecer apenas na Intel e logo aparecem os concorrentes, sendo a primeira a Motorola Corporation, seguido da MOS Technology, que sofre um processo da Motorola Corporation, ficando assim, impossibilitada de vender um de seus processadores.

A partir de então, outras empresas começaram a comercializar também alguns processadores, uns mais rápidos e mais baratos que outros, dando assim, o chute inicial para a criação dos microprocessadores.

O que é um microcontrolador?

Basicamente, podemos adotar como definição de um microcontrolador um circuito integrado “inteligente”, onde podemos fazer a programação dizendo o que ele deve fazer.

Do que é formado um microcontrolador?

Um microcontrolador é formado de milhares, bilhares, ou até mesmo trilhares componentes eletrônicos, como: porta lógicas, transistores, diodos, entre outros. O tamanho de todos os componentes dentro dele estão na ordem de nano metros, ou seja, impossível a ver à olho nu.

Qual a diferença entre Microcontroladores e Microprocessadores?

A diferença entre um microcontrolador e um microprocessador é que, para usar um microprocessador, precisamos de outros componentes adicionais, como memória e componentes para receber e enviar dados. Já o microcontrolador foi projetado para ter todas estas funcionalidades num único componente.

Referências Bibliográficas: CERNE, “A história e as diferenças entre um microcontrolador e um microprocessador”. Disponível em < http://www.cerne-tec.com.br/Artigo3_Historia.pdf >

LCD – Display de Cristal Líquido

Assim como as calculadoras, aparelhos telefônicos fixos, entre outros dispositivos, o nosso projeto contará com um display de LCD. Mas, primeiramente, o que é um display LCD?

Um display de cristal líquido (em inglês liquid crystal display) consiste em um painel fino, com a finalidade de exibir informações via eletrônica.

O LCD é definido como um líquido polarizador de luz, eletricamente controlado. Este líquido encontra-se comprimido dentro de celas entre duas lâminas polarizadoras. Os eixos que polarizam estas duas lâminas são alinhados perpendicularmente entre si. Cada cela contém contatos elétricos que permitem que um campo elétrico possa ser aplicado no líquido interior.

Podemos destacar inúmeras vantagens na utilização de um display LCD. Listamos as principais e mais aplicáveis abaixo:

• Cansam menos a vista
• Consomem pouca energia
• São muito baratos
• Sua aplicação é feita de forma simples

Abaixo, podemos ver como é um display LCD fisicamente, como é um display na teoria e sua pinagem:

Figura 1 - Display LDC - Visão Real

Figura 1 - Display LDC - Visão Teórica

 Tabela 1 - Definição dos Pinos do LCD

Onde:

• Os pinos 1,2 e 3 são usados para alimentação do display
• Os pinos 4,5 e 6 são usados como para controle;
• Os pinos de 7 à 14 são usados como para transmissão de dados  dados;
• Os Pinos 15 e 16 servem como alimentação do Backlight, mais conhecido como luz de fundo (encontramos no mercado modelos sem esta função).

Estamos usando como exemplo um display 16x2, ou seja, 16 colunas e duas linhas.Vale lembrar que este é apenas um modelo dos inúmeros que existem no mercado. Mas, para o nosso projeto, ele atende à todos requisitos.

Podemos usar também outros modelos de LCD, como os listados abaixo:

Tabela 2 - Demais LCD's

Simulação Proteus - Vídeo

Fluxograma – Organizando Ideias e Passos para a Programação

Para a fase inicial, a programação do nosso projeto terá esta arquitetura. Abaixo, segue uma breve explicação deste fluxograma.

• Começamos com as conhecidas “cinco linhas mágicas”, destinadas à configuração do Microcontrolador. Nela, definimos quem será o nosso PIC utilizado, valor do clock entre outras definições.
• Após isto, eu preciso mostrar ao meu microcontrolador quais dos seus ports serão saídas e entradas.
• Configuramos o nosso conversor ADC. A configuração do conversor ADC varia para cada fabricante e modelo.
•  Chegamos a parte de configuração e inicialização do display LCD. A configuração é feita de forma automática, pois alguns fabricantes disponibilizam rotinas para pré configuração do LCD, afim de economizar tempo. Para nós, resta fazer a inicialização, aplicando estas rotinas, gerando alguns comandos para o display.
• Chegamos ao "looping infinito", a nossa função main. Nela, rodará o nosso programa de fato. 
• Então, enviamos a mensagem de inicialização do LCD
• Lemos os valores obtidos no conversor ADC, e guardamos em uma variável qualquer
• Nesta hora, entra a lógica de conversão, ou seja, para cada valor que eu obter no ADC, eu terei um X valor de tensão, e um Y valor de temperatura.
• Após isto, basta imprimirmos o valor encontrado no display de LCD.

Este é o escopo base da programação. Com ele, podemos implementar inúmeras aplicações, por exemplo, acionar o ar condicionado quando a temperatura estiver acima de um valor pré estabelecido.

Conversor Analógico Digital - O que é?

Desde os primórdios da humanidade, vivemos em um mundo analógico. Os nossos sentidos (tato, olfato, audição, paladar e visão) são obtidos de forma analógica. E todas as grandezas físicas que encontramos no nosso curso de Engenharia Elétrica (como tensão e corrente) são grandezas do tipo analógicas. Logo, podemos concluir que tudo à nossa volta funciona de forma analógica.

Entretanto, os sistemas informatizados (que podemos encontrar nos computadores e outros sistemas informatizados no geral, ou até mesmo nos sinais de TV, que antigamente eram distribuídos apenas de forma analógica, e hoje estão migrando para trabalhar apenas na forma digital) trabalham de forma digital.

Para fazermos a unificação dos mundos, precisamos compreender e saber aplicar os processos de um conversor analógico, mais conhecidos como conversores ADCs.

Basicamente, estes conversores processam o sinal analógico de forma que, um número binário equivalente possa representar este mesmo valor. Por exemplo, se trabalharmos com um conversor de 8 bits, conseguimos obter uma faixa de valor de 0 à 255 (2^8 = 256, lembrando que 0 também representa um valor). Ou seja, teremos 256 steps ou posições referentes ao nosso valor de entrada.

Na prática, ficaria assim: Temos que fazer a conversão de um sinal de 0v a 5v. O valor binário 00000000 representa o valor analógico de 0v (0, em decimal). Logo, o valor binário 11111111(255 em decimal)  representa o valor analógico de 5v.

A resolução do valor retornado pode ser calculada pela seguinte fórmula:

Resolução = Vref/2^n

Onde:

Vref – É a tentão de entrada do circuito.

N = número de bits do conversor AD adotado.

Ou seja, quanto maior o numero de bits, maior será a minha resolução.

Abaixo podemos ver um exemplo da forma de onda de um circuito digital (trabalhando apenas com valores de 0 ou 1) e da forma de onda de um sinal analógico (trabalhando com quaisquer valores). As duas formas de onda estão em função do tempo.

Simulação Proteus - Layout 03: Levantamento de curva Tensão x Temperatura

Simulação Proteus - Layout 02: Ajuste de componentes

Simulação Proteus - Layout 01: Testes iniciais

Lista de Componentes

Com a teoria apresentada em mente, bem como os conhecimentos adquiridos até o momento, é possível determinar o layout do circuito elétrico do projeto, bem como a definição dos componentes e seus respectivos valores.

Lista de Componentes

- 01 Transformador 127 / 24 V;

- 04 diodos 1N4003

- 01 Capacitor 1,4mF;

- 01 regulador de tensão 7824;

- 01 regulador de tensão 7805;

- 02 dissipadores e cooler (7824 e 7805);

- 02 capacitores 1,5μF;

- 01 chave liga/desliga;

- 01 fusível (1A);

- 01 resistor 2k2Ω;

- 01 led vermelho;

- 01 resistor 92,16 Ω;

- 02 resistores 100 Ω;

- 01 termoresistência tipo PT100;

- microcontrolador (ainda não definido);

- display LCD;

Definição e cálculo de componentes (Parte 3 de 3)

Ponte de Wheatstone (resistor 92,16Ω, resistores 100 Ω, termoresistência tipo PT100). Uma vez que com a Ponte de Wheatstone é possível medir a variação de resistência do PT100, e por sua vez a variação de temperatura, o resistor 92,16 foi determinado como sendo a menor resistência possível no PT100, o que equivale a uma temperatura de -20ºC. Caso houvesse a necessidade de medir toda a faixa negativa (-200ºC), o valor deste resistor deveria ser de 18,52 Ω. Mas para o projeto, o grupo determinou utilizar um range um pouco menor, visto que seria difícil demostrar, na prática, o circuito medindo uma temperatura de -200ºC.

Quanto aos resitores de 100 Ω, o cálculo realizado foi (apresentado na teoria de Ponte de Wheatstone):

V = ((R4/R4+R2) – (R3/R1+R3)) * Vs

Onde:

V = tensão lida na Ponte de Wheastone [V];

R4 = R3 = resistores da “parte inferior” da Ponte de Wheastone [Ω];

R2 = resistor “simétrico” ao PT 100 (determinado em 92,16 [Ω]);

R1 = PT100 [Ω];

Vs = tensão de alimentação (24 [V]);

Para obter uma amplitude na saída da ponte de Wheatstone possível de medir sem a necessidade de um circuito amplificador, determinou-se que o range esperado fosse de 0 a 5 V, para uma variação de temperatura de 0 a 300 ºC. Com isso, os valores de resistência encontrados foram de 100 Ω (já arredondados para facilitar a construção do circuito).

Microcontrolador (ainda não definido). Em fase de estudo e projeto para definição do melhor componente para a aplicação.

Display LCD. Componente utilizado para visualizar os valores de temperatura lidos pela resistência PT 100, após conversão realizada pelo microcontrolador (conversor AD).

Definição e cálculo de componentes (Parte 2 de 3)

Capacitor 1,4mF. Este capacitor deve ser usado para diminuir a amplitude da ondulação do sinal CC pulsante, seguindo a seguinte equação:

Vr = Vmf / (f * RL * C)

Desta forma, para uma tensão de ondulação (ripple) de 0,5V (determinada pelo grupo como satisfatória para o circuito), tem-se que:

0,5 = 21,54/(120*260*C) – (considerando uma saída da fonte de 24V e 0,1 A)

C = 1,38 mF

Uma vez que o grupo possuía alguns capacitores de 0,47 mF (50V), determinou-se utilizá-los em paralelo, obtendo uma capacitância de 1,41 mF e garantindo uma ondulação de aproximadamente 0,49 V.

Regulador de tensão 7824 e 7825. Ao invés de utilizar transistores e diodos zener, o grupo optou pela utilização de reguladores de tensão para garantir um sinal limpo e estável, tendo em vista que o estudo de transistores ainda está no começo, e que o bom funcionamento do circuito está diretamente relacionado a alimentação estável. Isto é, a variação de tensão da Ponte de Wheatstone deve ocorrer apenas se o PT100 oscilar sua resistência (este assunto será melhor abordado no tópico de escolha dos resistores da Ponte de Wheatstone).

Ambos reguladores necessitam de uma tensão de entrada na ordem de 5 V maior que a tensão de saída para garantir uma tensão Vo estável. Este foi mais um motivo para escolher o transformador 127/24, uma vez que com ele é possível obter uma tensão de 30V aproximadamente após a filtragem do capacitor.

O regulador 7824 será utilizado para alimentar a Ponte de Wheatstone, enquanto o regulador 7805 será utilizado para alimentar o microcontrolador.

Dissipadores e cooler. Estes itens têm como função dissipar o calor produzido pelos reguladores de tensão, bem como manter todo o circuito em uma temperatura estável. Isto porque um dos piores “inimigos” da eletrônica é o calor, fazendo com que os componentes tenham seu funcionamento alterado na proporção da variação da temperatura, ou até mesmo de forma desordenada.

Capacitores 1,5μF. Estes capacitores atuam em conjunto com os reguladores de tensão, de forma a manter a tensão de saída estável.

Chave liga/desliga. Utilizada para permitir que os reguladores de tensão, Ponte de Wheatstone, microcontrolador e display sejam energizados apenas no momento da medição, e não no momento em que o circuito é alimentado na rede elétrica (127 VAC).

A chave também permite que o circuito esteja sempre ligado na rede elétrica, aumentando a vida útil dos componentes mais sensíveis do circuito. E uma vez que o circuito de retificação esteja sempre alimentado, o sistema não precisa (exceto na primeira vez que é ligado à rede) de um tempo de estabilização (diodos e capacitor).

Fusível (1A). Garante a proteção do circuito caso alguma anormalidade ocorra. O valor de 1A foi definido pela máxima tensão de saída e pelo valor da carga (RL).

Led Vermelho e Resistor 2k2Ω. Indicam quando a chave liga/desliga está na posição liga.

Definição e cálculo de componentes (Parte 1 de 3)

Transformador. O transformador selecionado foi baseado na tensão de rede mais comum disponível (127V), e também em uma amplitude considerável na Ponte de Wheatstone, sem a necessidade de um circuito amplificador na saída da ponte (24V – ver descrição Regulador de tensão 7824 e 7825). 

Diodo 1N4003. A utilização do Retificador de Onda completa (montagem dos diodos em ponte) tem a finalidade de transformar o sinal alternado em contínuo pulsante. As vantagens deste retificador são: 2 diodos conduzindo a cada semiciclo; rendimento teórico de 63,6%; não necessita de um transformador com center tap. O modelo 1N4003 foi adotado considerando os cálculos de tensão reversa e corrente direta, mas também a disponibilidade do diodo:

Vdc = 2*(V2p – 2*VD)/π

Vdc = 2*(35,21 – 2*0,7)/3,14

Vdc = 21,52 V

Idc = Vdc / RL

Idc = 21,52 / 24 (considerando uma saída da fonte de 24V e 1A)

Idc = 0,897 A

Portanto:

ID >= Idc

ID >= 0,9 A

VR >= V2p

VR >= 35 V

Ao olhar para o datasheet da família de diodos 1N4001-1N4007 (http://www.diodes.com/datasheets/ds28002.pdf), seria possível escolher qualquer modelo, uma vez que todos atendem as especificações acima. O modelo 1N4003 foi adotado porque um dos integrantes do grupo já possuía o componente.

Referências Bibliográficas

A. B. L. Junior; P. U. Ávila. Termometria Conceitos e aplicações. 1ª Edição. São Paulo, 2010: Editora Érica Ltda.

BAKER, H. Dean; RYDER, E. A.; BAKER, NH. Temperature Measurement in

Enginnering, Volume 2. John Wiley & Sons, Inc. New York/London 1961

American National Standard Institute. Temperature Measurement Thermocouples ANSI-MC 96. Publicação de 1982.

International Organization for Standardization. International Standard ISO/IEC 1989:2002. Publicação 584-3 de Junho de 1989.

IOPE Instrumentos de Precisão Ltda.. Termopar Isolação Mineral. Disponível em < http://www.iope.com.br/3ib4_termopar_isolac_mineral.htm >

EXACTA INDÚSTRIA E COMERCIO DE SENSORES LTDA. Catálogo técnico de termopares e termorresistências. Disponível em < http://www.exacta.ind.br/ conteudo/upload/files/exacta_nv.pdf >

A. P. MALVINO. Eletrônica. 4. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 1997. 2 v. volume 1

C. G. Francisco; M. A. M. MARINO. Laboratório de eletricidade e eletrônica: teoria e prática. 24. ed. São Paulo: Érica, 2007.

Fonte de Alimentação

Para que a leitura do PT100 seja possível, através da medição indireta pela Ponte de Wheatstone, ainda é necessário prover alimentação para o circuito. E o valor V, lido na Ponte, só será linear em função da resistência do PT100 se a fonte de tensão mantiver sempre o mesmo valor.

             Para obter uma faixa de leitura mensurável, sem a necessidade de um amplificador operacional na saída da Ponte de Wheatstone, e pensando em garantir um valor estável de alimentação de forma independente, utiliza-se uma fonte de alimentação com retificador de onda completa. A rede elétrica (127 ou 220 VAC) é reduzida para um valor menor de tensão através de um transformador (normalmente 12 ou 24 VAC); em seguida, uma ponte de diodo retifica o sinal VAC, passando a se comportar como VDC pulsante. Um capacitor é instalado na saída da ponte de diodo, filtrando o sinal. Entretanto, a saída ainda possui uma oscilação (“ripple”) que pode influenciar na medição da resistência do PT100. Desta forma, utilização um regulador de tensão, a partir de transistor e diodo zener. Por fim, a saída da fonte terá um valor VDC linear.