Processamento de Sinais - Série Automação Industrial

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Processamento
de sinais
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
série AUTOMAÇÃO iNDUsTriAL
Processamento
de sinais
CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA – CNI
Robson Braga de Andrade
Presidente
DIRETORIA DE EDuCAÇÃO E TECNOLOgIA
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor de Educação e Tecnologia
SENAI-DN – SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAgEM INDuSTRIAL
Conselho Nacional
Robson Braga de Andrade
Presidente
SENAI – DEPARTAMENTO NACIONAL
Rafael Esmeraldo Lucchesi Ramacciotti
Diretor-Geral
Gustavo Leal Sales Filho
Diretor de Operações
Série AUTOMAÇÃO iNDUSTriAL
processamento
de sinais
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Aprendizagem Industrial 
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SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul
Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a 
Distância – NEAD
FICHA CATALOGRÁFICA
 S491p 
 Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional
 Processamento de sinais / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. 
 Departamento Nacional, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento
 Regional do Rio Grande do Sul. Brasília : SENAI/DN, 2012. 
 295 p. : il. (Série Automação Industrial).
 
 ISBN 978-85-7519-531-4
1. Dispositivos eletrônicos. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento 
Regional do Rio Grande do Sul. II. Título. III. Série.
CDU 621.38
Bibliotecário Responsável: Enilda Hack- CRB 599/10
Lista de ilustrações
Figura 1 - Circuito .............................................................................................................................................................22
Figura 2 - Raio - Tensão ..................................................................................................................................................22
Figura 3 - Corrente contínua ........................................................................................................................................23
Figura 4 - Corrente alternada .......................................................................................................................................24
Figura 5 - Símbolo do diodo ........................................................................................................................................24
Figura 6 - LED (diodo emissor de luz) .......................................................................................................................24
Figura 7 - Diodo retificador ..........................................................................................................................................25
Figura 8 - Diodo em série na alimentação de um circuito eletrônico ...........................................................25
Figura 9 - Diodo de proteção contra transientes de tensão .............................................................................26
Figura 10 - Interior de um diodo, a junção PN (anodo e catodo) ...................................................................27
Figura 11 - Inversamente Polarizado ........................................................................................................................28
Figura 12 - Diretamente Polarizado ...........................................................................................................................28
Figura 13 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma área de fluxo 
de elétrons ...........................................................................................................................................................................28
Figura 14 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma área de re-
pulsão na junção, interrompendo o fluxo de elétrons ........................................................................................29
Figura 15 - Símbolo do diodo retificador, segundo norma IEEE 315 .............................................................30
Figura 16 - Conversor de corrente alternada para corrente contínua, com retificador de onda completa .30
Figura 17 - Ponte retificadora e seus diodos convertendo corrente contínua em corrente alternada..... 30
Figura 18 - Símbolo de diodo zener, segundo norma IEEE315, e diodo zener ..........................................32
Figura 19 - Circuito ..........................................................................................................................................................32
Figura 20 - Diodo 1N746 ...............................................................................................................................................33
Figura 21 - Símbolo de LED, segundo norma IEEE 315, e um LED ................................................................35
Figura 22 - Imagem interna de um diodo ..............................................................................................................36
Figura 23 - Sinaleiros LEDs usados em quadros de comando elétricos e em sistemas de 
automação industrial ...................................................................................................................................................36
Figura 24 - Máquina utilizando os sinaleiros de LED ...........................................................................................37
Figura 25 - LEDs junto a resistores em um circuito série ...................................................................................37
Figura 26 - Dígito de 7 segmentos, composto por 7 leds para mostar o número, mais um para o ponto 38
Figura 27 - Fotodiodo ....................................................................................................................................................39
Figura 28 - Cortina ótica de segurança com LED .................................................................................................40
Figura 29 - Símbolo do varicap segundo norma IEEE315 .................................................................................40
Figura 30 - Diodo schottky ...........................................................................................................................................41
Figura 31 - Diodo túnel ..................................................................................................................................................41
Figura 32 - Multimetro ...................................................................................................................................................41
Figura 33 - Diodo diretamente polarizado .............................................................................................................42
Figura 34 - Diodo inversamente polarizado ...........................................................................................................42
Figura 35 - Optoacopladores .......................................................................................................................................43Figura 36 - Circuito divisor de tensão ......................................................................................................................43
Figura 37 - Optoacoplador ..........................................................................................................................................44
Figura 38 - Diagrama de um sistema automatizado ...........................................................................................44
Figura 39 - Circuito integrado ......................................................................................................................................45
Figura 40 - Transmissores NPN e PNP .......................................................................................................................47
Figura 41 - Símbolo de um transistor bipolar NPN e diagrama da junção NPN ........................................48
Figura 42 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que está 
sendo energizado .............................................................................................................................................................48
Figura 43 - Símbolo de um transistor bipolar PNP e diagrama da junção PNP .........................................49
Figura 44 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que está 
sendo energizado .............................................................................................................................................................49
Figura 45 - Circuito de acionamento de relé utilizando transistor NPN .......................................................50
Figura 46 - Circuito de acionamento de relé utilizando transistor PNP .......................................................53
Figura 47 - Encapsulamento: principais encapsulamentos de transistores e suas potências ..............54
Figura 48 - Tela de busca do Google .........................................................................................................................56
Figura 49 - Datasheet do transistor pesquisado ...................................................................................................56
Figura 50 - Detalhe do multímetro, marcado para teste de diodo ................................................................56
Figura 51 - Teste transistor NPN ..................................................................................................................................57
Figura 52 - Teste transistor PNP ...................................................................................................................................57
Figura 53 - Transistor Darlington ................................................................................................................................58
Figura 54 - Símbolo de JFET e representação da estrutura construtiva .......................................................59
Figura 55 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo 
enriquecimento e seus respectivos símbolos .........................................................................................................60
Figura 56 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo 
depleção e seus respectivos símbolos.......................................................................................................................61
Figura 57 - Motor de corrente contínua convencional ......................................................................................62
Figura 58 - Motor de corrente contínua convencional 1 ...................................................................................62
Figura 59 - Motor DC .......................................................................................................................................................62
Figura 60 - Ponte H para controle da rotação de um motor utilizando transistores MOS .....................63
Figura 61 - Detalhamento .............................................................................................................................................63
Figura 62 - Terminal de controle de um transistor ..............................................................................................64
Figura 63 - Terminal de controle de um transistor 1............................................................................................65
Figura 64 - Conexão da carga a um transistor NPN usado como chave.......................................................65
Figura 65 - Circuito CMOS ou MOS ............................................................................................................................66
Figura 66 - Símbolos CMOS .........................................................................................................................................66
Figura 67 - Tipos de tiristores ......................................................................................................................................67
Figura 68 - Símbolo do SCR ..........................................................................................................................................69
Figura 69 - Analogia entre um SCR e um circuito com dois transistores .....................................................69
Figura 70 - Representação da Curva V x A de um SCR ........................................................................................69
Figura 71 - Símbolo de DIAC ........................................................................................................................................70
Figura 72 - Circuito de um dimmer ............................................................................................................................71
Figura 73 - Voltímetro para milivolts conectado a um sensor de temperatura tipo termopar ............72
Figura 74 - Da direita para esquerda: Sensor de pressão que envia sinal analógico através de vari-
ação de corrente (4 a 20 mA); Sensor tubular indutivo analógico, que envia sinal de 0 a 10V con-
forme proximidade; sensores analógicos por ultrasom, que envia sinal de 0 a 10V ................................73
Figura 75 - Amplificador operacional. CI LM741 ...................................................................................................75
Figura 76 - Amplificador inversor. No gráfico em vermelho, o sinal de entrada (Vi), e em azul o sinal 
de saída, já amplificado e invertido (Vo). ..................................................................................................................76
Figura 77 - Amplificador. No gráfico em vermelho, o sinal de entrada (Vi), e em azul o sinal de saída, 
já amplificado (Vo). ...........................................................................................................................................................76
Figura 78 - Tanque de fluido ........................................................................................................................................77
Figura 79 - Tanque de fluido 1 .....................................................................................................................................77
Figura 80 - Divisor de tensão .......................................................................................................................................78
Figura 81 - Circuito ..........................................................................................................................................................79
Figura 82 - Circuito 1 .......................................................................................................................................................79
Figura 83 - Circuito somador inversor ......................................................................................................................81
Figura84 - Amplificador operacional como substrator .....................................................................................82
Figura 85 - Amplificador operacional como substrator 1 ..................................................................................82
Figura 86 - Representação do sinal de entrada (Vin) e saída (Vo) de um oscilador astável ..................83
Figura 87 - Circuito integrado 555 e gráfico de saída .........................................................................................83
Figura 88 - Gráfico de PWM a 1KHz ...........................................................................................................................84
Figura 89 - Oscilador Monoestável ............................................................................................................................85
Figura 90 - Filtro Passivo ................................................................................................................................................86
Figura 91 - Gráfico da Intensidade de sinal x Frequência ..................................................................................87
Figura 92 - Filtro passa baixa ........................................................................................................................................87
Figura 93 - Filtro passa alta ...........................................................................................................................................88
Figura 94 - Filtro passa-faixa, usando capacitor, indutor e resistor ................................................................88
Figura 95 - Filtro rejeita-faixa, também conhecido como rejeita-banda .....................................................89
Figura 96 - Filtro passa-baixa ......................................................................................................................................90
Figura 97 - Filtro passa-alta ..........................................................................................................................................90
Figura 98 - Filtro ativo passa-banda ..........................................................................................................................90
Figura 99 - Fonte de bancada ......................................................................................................................................91
Figura 100 - Fonte de microcomputador ................................................................................................................91
Figura 101 - Fonte chaveada 2A .................................................................................................................................91
Figura 102 - Gráfico da tensão após retificação, sem aplicação de filtros ...................................................92
Figura 103 - Transformador utilizado em uma fonte linear ..............................................................................93
Figura 104 - Fonte simétrica .........................................................................................................................................93
Figura 105 - Esquema de fonte simétrica ................................................................................................................93
Figura 106 - Fonte Chaveada .......................................................................................................................................94
Figura 107 - Esquema de fonte simétrica ................................................................................................................95
Figura 108 - Reservatórios d’água ..............................................................................................................................99
Figura 109 - Reservatórios d’água com sensor potenciométrico ................................................................ 100
Figura 110 - Reservatórios d’água com sensor de ultrassom ........................................................................ 100
Figura 111 - Reservatórios d’água medido através do ângulo e refração ................................................ 100
Figura 112 - Reservatórios d’água sensor de nível ............................................................................................ 101
Figura 113 - Reservatórios d’água de célula de carga ..................................................................................... 101
Figura 114 - Reservatórios d’água com terminais condutivos...................................................................... 101
Figura 115 - Figura de um sensor de nível digital e um sensor de nível analógico .............................. 102
Figura 116 - Chave de contato normalmente aberto com princípio de acionamento magnético . 103
Figura 117 - Botão de emergência com contato normalmente fechado ................................................. 104
Figura 118 - Sensor NPN e PNP, forma de ligação e tipo de sinal de retorno .......................................... 105
Figura 119 - Sensores NPN e PNP com resistor de definição de sinal para alta impedância ............. 105
Figura 120 - Sensores NPN e PNP ............................................................................................................................ 106
Figura 121 - Dispositivos de acoplamento eletromecânicos (a relé).......................................................... 107
Figura 122 - Sistema de sinaleiro e botoeiras cuja alimentação e comunicação é realizada por um 
único cabo de dois fios condutores, usando comunicação digital serial em rede padrão AS-I ........ 107
Figura 123 - Sensor analógico .................................................................................................................................. 108
Figura 124 - Sensor eletrônico de temperatura ................................................................................................. 109
Figura 125 - Princípio físico ....................................................................................................................................... 110
Figura 126 - Chaves mecânicas ............................................................................................................................... 111
Figura 127 - Sensor óptico de reflexão, e suas partes emissora/receptora ............................................. 112
Figura 128 - Sensor óptico por retrorreflexão com espelho refletor especial, usado como 
barreira óptica para a deteção de objetos .......................................................................................................... 114
Figura 129 - Sensor óptico por reflexão difusa ................................................................................................. 114
Figura 130 - Sensores ópticos por transmissão ................................................................................................. 115
Figura 131 - Sistema de sensor óptico por transmissão usando fibra óptica ......................................... 115
Figura 132 - Sensor de barreira óptica ................................................................................................................. 116
Figura 133 - Scanner a laser ...................................................................................................................................... 117
Figura 134 - Sensor infravermelho .......................................................................................................................... 118
Figura 135 - Relés fotoelétricos e um resistor dependente de luz .............................................................. 119
Figura 136 - Sensor de visão ..................................................................................................................................... 119
Figura 137 - Sensor com ultrasom ..........................................................................................................................120
Figura 138 - Equipamento aplicado à análise por ultrassom, permitindo identificar fissuras internas 
no material através da análise da propagação do som através do material ............................................. 120
Figura 139 - Sensores indutivos ............................................................................................................................... 121
Figura 140 - Aplicação de sensores indutivos .................................................................................................. 122
Figura 141 - Sensores capacitivos ........................................................................................................................... 123
Figura 142 - Sensores magnéticos .......................................................................................................................... 124
Figura 143 - Cilindro pneumático com êmbolo magnético .......................................................................... 124
Figura 144 - Circuito integrado sensor de efeito HALL A1101, da Allegro MicroSystems Inc. ......... 124
Figura 145 - Sensor de pressão microcontrolado, de seu componente interno (sensor de pressão) e 
do piezorresistor utilizado nesta última como elemento detector de pressão ....................................... 126
Figura 146 - Sensor de pressão do tipo pressostato de membrana ........................................................... 126
Figura 147 - Circuitos integrados acelerômetros ............................................................................................... 127
Figura 148 - Sensor industrial ................................................................................................................................... 127
Figura 149 - Equipamentos que utilizam acelerômetros ................................................................................ 127
Figura 150 - Sensor strain-gage acoplado à célula de carga ......................................................................... 127
Figura 151 - Modelo de posicionamento ............................................................................................................. 127
Figura 152 - Strain-gage ............................................................................................................................................. 127
Figura 153 - Sensores de turbinas ........................................................................................................................... 128
Figura 154 - Tubulação com ponto de estrangulamento ............................................................................... 129
Figura 155 - Representação de um sensor tipo pitot ....................................................................................... 129
Figura 156 - Rotâmetro ............................................................................................................................................... 129
Figura 157 - Gráfico da curva de sensores NTC e PTC genéricos ................................................................. 131
Figura 158 - Voltímetro ............................................................................................................................................... 132
Figura 159 - Sonda com termopar .......................................................................................................................... 134
Figura 160 - Gráfico das curvas de termopares, entre temperatura e tensão gerada em milivolts 134
Figura 161 - Partes sobreaquecidas de um quadro elétrico, revelando um ponto de aquecimento 
causado por mau contato. .......................................................................................................................................... 135
Figura 162 - Sensor infravermelho para a medição de temperaturas ....................................................... 135
Figura 163 - Braço robótico ....................................................................................................................................... 137
Figura 164 - Encoders ópticos usados em suas articulações e seu princípio de funcionamento .... 137
Figura 165 - Sensor de posição linear .................................................................................................................... 138
Figura 166 - Encoders analógico potenciométrico ........................................................................................... 138
Figura 167 - Encoders absolutos óptico................................................................................................................ 139
Figura 168 - Encoders incrementais ou relativos óptico ................................................................................. 140
Figura 169 - Encoders incrementais ....................................................................................................................... 140
Figura 170 - Diagrama de funcionamento de um transdutor ....................................................................... 142
Figura 171 - Transdutor de corrente, usado para medir a corrente através do campo elétrico gerado 
pelo condutor .................................................................................................................................................................. 144
Figura 172 - Esquema de um transdutor industrial de corrente ............................................................... 144
Figura 173 - Transdutores de posição tipo LVDT ............................................................................................... 144
Figura 174 - Transdutores de pressão .................................................................................................................... 144
Figura 175 - Transdutor de força – célula de carga ........................................................................................... 145
Figura 176 - Conversor de 4 a 20mA para sinal de radiofrequência ........................................................... 145
Figura 177 - Comparação analógica e digital ..................................................................................................... 149
Figura 178 - Manômetro analógico (ponteiro) ................................................................................................... 150
Figura 179 - Manômetro digital ............................................................................................................................... 150
Figura 180 - Sistemas numéricos ............................................................................................................................. 151
Figura 181 - Exemplo tabela verdade .................................................................................................................... 157
Figura 182 - Portas Lógicas ........................................................................................................................................ 160
Figura 183 - Operadores da álgebra booleana ................................................................................................... 161
Figura 184 - Mapas de Karnaugh para 5 e para 6 variáveis ............................................................................ 168
Figura 185 - Diagrama de um multiplexador ...................................................................................................... 169
Figura 186 - Multiplexador de 2 canais ................................................................................................................ 170
Figura 187 - Multiplexador de quatro entradas - a) Tabela verdade - b) Circuito implementado ... 170
Figura 188 - Multiplexador de 8 entradas - a) Tabela verdade - b) Símbolo lógico - c) Diagrama lógico .. 171
Figura 189 - Portas lógicas utilizadas como circuitos de habilitação ......................................................... 172
Figura 190 - Multiplexador quádruplo de 2 entradas 74xx157 - a) Tabela verdade - b) Símbolo 
lógico- c) Diagrama lógico ......................................................................................................................................... 172
Figura 191 - Diagrama de um demultiplexador ................................................................................................ 173
Figura 192 - Demultiplexador de 2 canais ........................................................................................................... 174
Figura 193 - Projeto de um demultiplexador 1:4 - a) Tabela verdade - b) Expressões para as saídas - 
c) Circuito implementado ........................................................................................................................................... 174
Figura 194 - Demultiplexador 1:8 - a) Tabela verdade - b) Expressões para as saídas - c) Diagrama lógico 175
Figura 195 - Circuito 74xx138, Decodificador/Demultiplexador configurado como demultiplexador 
com a entrada de habilitação funcionando como entrada de dados ......................................................... 176
Figura 196 - Circuito 74xx154 configurado como demultiplexador 1:16 - a) e b) Configurações para 
funcionamento como demultiplexador 1:16 - c) Diagrama lógico .............................................................. 176
Figura 197 - Decodificador/Demultiplexador 74xx155: a) Tabela verdade; b) Diagrama de conexões; 
c) Diagrama lógico ......................................................................................................................................................... 177
Figura 198 - Conversores DA e AD .......................................................................................................................... 178
Figura 199 - Conversão de um sinal analógico para digital ........................................................................... 179
Figura 200 - Conversor AD muito utilizado, o ADC0808 ................................................................................. 180
Figura 201 - Conversor D/A de 4 bits ..................................................................................................................... 182
Figura 202 - Diagrama esquemático de uma calculadora.............................................................................. 183
Figura 203 - Código BCD (Binary Coded Decimal) ............................................................................................ 185
Figura 204 - Display de 7 segmentos ..................................................................................................................... 186
Figura 205 - Circuitos decodificadores .................................................................................................................. 186
Figura 206 - Decodificador 74xx138, diagrama lógico e tabela verdade em relação às entradas de 
habilitação (enable) ....................................................................................................................................................... 187
Figura 207 - Esquema de ligação de um decodificador de 2 bits para controlar até 4 
saídas, usadas em um motor de passo de 4 bobinas ........................................................................................ 187
Figura 208 - Diagrama geral de um codificador ................................................................................................ 188
Figura 209 - Painel de equipamento com chave seletora de 8 posições .................................................. 188
Figura 210 - CLP usando 3 entradas digitais para ler sinal de 8 diferentes combinações possíveis 188
Figura 211 - Codificador de 8 para 3 linhas ......................................................................................................... 189
Figura 212 - Flip-flop RS - a) implementação do circuito com portas NOR - b) símbolo lógico ....... 190
Figura 213 - Flip-flop RS - a) implementação do circuito com portas NAND - b) símbolo lógico .... 191
Figura 214 - Flip-flop RS síncrono - a) implementação do circuito com portas lógicas - b) símbolo lógico 191
Figura 215 - Implementação do circuito de um flip-flop JK com portas lógicas ................................... 192
Figura 216 - Implementação do circuito de um flip-flop JK mestre-escravo .......................................... 193
Figura 217 - Símbolo lógico de um flip-flop JK mestre-escravo .................................................................. 194
Figura 218 - Flip-flop sensível à borda................................................................................................................... 194
Figura 219 - Flip-flop JK mestre-escavo com entradas Preset e Clear - a) implementação do circuito 
com portas lógicas - b) símbolo lógico .................................................................................................................. 195
Figura 220 - Flip-flop tipo D - a) implementação do circuito a partir de um flip-flop JK - b) símbolo lógico 196
Figura 221 - Flip-flop tipo T - a) implementação do circuito a partir de um flip-flop JK - b) símbolo lógico 196
Figura 222 - Circuito com Flip-Flop J-K aplicado à configuração de Toggle. CI utilizado: 74xx73 ... 196
Figura 223 - Gráfico de Aplicações de microcontroladores PIC por família ............................................. 207
Figura 224 - Encapsulamentos do microcontrolador PIC16F877A ............................................................. 210
Figura 225 - Microcontrolador PIC16F877A I/P e seus principais pinos de alimentação, conexão e I/O .. 210
Figura 226 - Microcontrolador PIC16f877A e alguns dos terminais de funções especiais ................. 212
Figura 227 - Diagrama que demonstra o caminho percorrido por um programa, desde sua criação 
até a gravação no microcontrolador de destino, e seu uso no equipamento ......................................... 214
Figura 228 - Controlador multifunção ................................................................................................................... 214
Figura 229 - DB25 femea porta paralela física .................................................................................................... 216
Figura 230 - Fluxograma ............................................................................................................................................. 220
Figura 231 - Janela de novo aquivo ........................................................................................................................ 226
Figura 232 - Tela “Salvar Como”, que aparece ao se iniciar um novo programa ..................................... 226
Figura 233 - Demonstrando a opção para compilação (pode ser obtida pela tecla de atalho F9) . 228
Figura 234 - Demonstrando a compilação em processo ................................................................................ 228
Figura 235 - Hardware criado em um simulador de circuitos eletrônicos ................................................ 230
Figura 236 - Esquema Elétrico .................................................................................................................................. 232
Figura 237 - Comandos para acionamento das saídas digitais .................................................................... 237
Figura 238 - Controle de motor de passo unipolar ........................................................................................... 239
Figura 239 - Comandos para leitura das saídas digitais 1 .............................................................................. 244
Figura 240 - Tipos de dados complexos ................................................................................................................ 249
Figura 241 - Máquina de cálculo inadequada .................................................................................................... 257
Figura 242 - Máquina de cálculo inadequada 1 ................................................................................................. 257
Figura 243 - Fluxograma............................................................................................................................................. 260
Figura 244 - Hardware ................................................................................................................................................. 264
Figura 245 - Fluxo de execução em um programa com estruturas de repetição while ...................... 266
Figura 246 - Chamadas a funções/sub-rotinas ................................................................................................... 270
Figura 247 - Esquema de ligação de um microcontrolador PIC16F877A ................................................. 273
Figura 248 - Display alfanumérico .......................................................................................................................... 277
Figura 249 - LCD ............................................................................................................................................................ 279
Figura 250 - Uso com o LCD ...................................................................................................................................... 280
Figura 251 - Uso com o LCD 1 ................................................................................................................................... 280
Figura 252 - Uso com o LCD 2 ................................................................................................................................... 283
Figura 253 - Comunicação serial ............................................................................................................................. 283
Figura 254 - Esquema de ligação de um MAX232 a um microcontrolador e uma porta serial padrão DB9 284
Figura 255 - Pinos do PIC16F877A que podem ser configurados para conversão analógica/digital 286
Figura 256 - Potenciômetro de 10K conectado a um microcontrolador. Para facilitar entendimento, 
demais ligações de alimentação e clock do microcontrolador foram suprimidas ................................. 287
Figura 257 - Sensor de temperatura LM35DZ, de característica linear, conectado diretamente ao 
canal AN0 de um microcontrolador ........................................................................................................................ 288
Figura 258 - Ligação de um LDR em um microcontrolador usando o canal AN1 .................................. 290
Figura 259 - Ligação de um transistor a um motor ........................................................................................... 291
Tabela 1: Técnico em Automação Industrial ............................................................................................................19
Tabela 2: Diodos retificadores e suas principais características .......................................................................31
Tabela 3: Principais modelos e valores comerciais ................................................................................................34
Tabela 4: Principais modelos de transistores NPN e PNP disponíveis ............................................................54
Tabela 5: Circuito A e B ................................................................................................................................................. 157
Tabela 6: Circuito A e B ................................................................................................................................................. 158
Tabela 7: Principais portas lógicas ............................................................................................................................ 159
Tabela 8: Equivalencias das portas lógicas ............................................................................................................ 160
Tabela 9: Verdade para as expressões equivalentes: a) XY e b) X + Y ...................................................... 164
Tabela 10: Verdade para as expressões complementares a) XY e b) XY ..................................................... 164
Tabela 11: Universalidade das portas NAND e NOR .......................................................................................... 164
Tabela 12: Verdade considerando condições irrelevantes .............................................................................. 168
Tabela 13: Tabela verdade para o circuito ............................................................................................................. 174
Tabela 14: Código binário natural de 4 bits .......................................................................................................... 184
Tabela 15: Verdade de um codificador com entradas negadas ..................................................................... 189
Tabela 16: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NOR.................................................... 190
Tabela 17: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NAND ................................................ 191
Tabela 18: Verdade para o flip-flop RS síncrono .................................................................................................. 192
Tabela 19: Verdade para o flip-flop RS síncrono .................................................................................................. 193
Tabela 20: Verdade para o flip-flop RS síncrono .................................................................................................. 194
Tabela 21: Verdade para o flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear .............................................. 195
Tabela 22: Verdade para o flip-flop tipo D ............................................................................................................ 196
Tabela 23: Verdade para o flip-flop tipo T ............................................................................................................. 197
Tabela 24: Modelos comerciais de flip-flop ......................................................................................................... 197
Tabela 25: Execução de uma algoritmo ................................................................................................................ 218
Tabela 26: Programa escrito em assembly, e a representação de instruções em linguagem binária. 
Código binário tem caráter ilustrativo, podendo haver variações ............................................................... 222
Tabela 27: Comando executado em linguagem C, e a produção (em código executável) gerada 
pela instrução ................................................................................................................................................................ 223
Tabela 28: Tipos de dados para armazenar valores ............................................................................................ 245
Tabela 29: Prefixo de declaração das variáveis .................................................................................................... 245
Tabela 30: Operadores .................................................................................................................................................. 251
Tabela 31: Operadores avançados ........................................................................................................................... 254
Tabela 32: Especificadores de formato ................................................................................................................... 282
1 Introdução ......................................................................................................................................................................19
2 Eletrônica Analógica ....................................................................................................................................................21
2.1 Diodos ............................................................................................................................................................242.1.1 Diodo retificador / diodo de sinal ......................................................................................30
2.1.2 Diodo zener .................................................................................................................................32
2.1.3 Diodo emissor de luz ...............................................................................................................35
2.1.4 Fotodiodo ....................................................................................................................................39
2.1.5 Varicap...........................................................................................................................................40
2.1.6 Diodo schottky ...........................................................................................................................41
2.1.7 Diodo túnel .................................................................................................................................41
2.1.8 Como testar um diodo ............................................................................................................41
2.1.9 Optoacopladores ......................................................................................................................42
2.2 Acionamentos a transistor .......................................................................................................................44
2.2.1 Características e aplicações ...................................................................................................46
2.2.2 Transistor bipolar ......................................................................................................................47
2.2.3 Transistor darlington ................................................................................................................58
2.2.4 Transistores de efeito de campo ..........................................................................................58
2.2.5 Transistores CMOS ....................................................................................................................65
2.3 Tiristores .........................................................................................................................................................66
2.3.1 SCR .................................................................................................................................................68
2.3.2 DIAC ...............................................................................................................................................70
2.3.3 TRIAC ..............................................................................................................................................70
2.4 Condicionamento de sinal .......................................................................................................................71
2.4.1 Amplificador operacional .....................................................................................................74
2.4.2 Amplificador operacional como comparador ................................................................78
2.4.3 Amplificador operacional como somador .......................................................................81
2.4.4 Amplificador operacional como subtrator ......................................................................81
2.5 Osciladores ...................................................................................................................................................83
2.5.1 Oscilador astável .......................................................................................................................83
2.5.2 Oscilador monoestável ...........................................................................................................85
2.6 Filtros ...............................................................................................................................................................85
2.6.1 Filtro passivo ...............................................................................................................................86
2.6.2 Filtro ativo ....................................................................................................................................89
2.7 Fontes de alimentação ..............................................................................................................................90
2.7.1 Fonte linear .................................................................................................................................92
2.7.2 Fonte simétrica ..........................................................................................................................93
2.7.3 Fonte chaveada .........................................................................................................................94
Sumário
3 Sensores ...........................................................................................................................................................................99
3.1 Sensores digitais ....................................................................................................................................... 103
3.2 Sensores analógicos ................................................................................................................................ 107
3.3 Princípio físico ........................................................................................................................................... 110
3.4 Sensores eletromecânicos .................................................................................................................... 111
3.5 Sensores ópticos ...................................................................................................................................... 111
3.5.1 Sensor óptico por retrorreflexão ...................................................................................... 114
3.5.2 Sensor óptico por reflexão difusa .................................................................................... 114
3.5.3 Sensores ópticos por transmissão ................................................................................... 115
3.5.4 Sensores ópticos através de cabos de fibra óptica .................................................... 115
3.5.5 Sensor de barreira óptica de segurança ........................................................................ 116
3.5.6 Sensores a laser....................................................................................................................... 117
3.5.7 Sensor infravermelho ........................................................................................................... 118
3.5.8 Relés fotoelétricos ................................................................................................................. 118
3.5.9 Visão artificial ........................................................................................................................... 119
3.6 Sensor de ultrassom ................................................................................................................................ 119
3.7 Sensores indutivos .................................................................................................................................. 121
3.8 Sensores capacitivos ............................................................................................................................... 122
3.9 Sensores magnéticos .............................................................................................................................. 124
3.10 Sensor de pressão ................................................................................................................................. 125
3.11 Sensores de aceleração .......................................................................................................................126
3.12 Extensômetros e células de carga .................................................................................................. 127
3.13 Sensores de vazão ................................................................................................................................. 128
3.14 Sensores de temperatura ................................................................................................................... 130
3.14.1 Tipos de termopares ........................................................................................................... 132
3.14.2 Sensor infravemelho aplicado à medição de temperatura .................................. 135
3.14.3 Termodinâmica aplicada à leitura de temperatura ................................................. 135
3.15 Sensores de posicionamento ............................................................................................................ 136
3.15.1 Sensores de posição linear ............................................................................................... 137
3.15.2 Encoders absolutos ............................................................................................................. 138
3.15.3 Encoders incrementais ou relativos .............................................................................. 139
3.16 Transdutores / Conversores ............................................................................................................... 142
3.16.1 Transdutores passivos ........................................................................................................ 143
3.16.2 Transdutores ativos ............................................................................................................. 143
3.16.3 Transdutores industriais .................................................................................................... 144
3.16.4 Conversores de sinal ........................................................................................................... 145
4 Sistemas Digitais ........................................................................................................................................................ 149
4.1 Vantagens das técnicas digitais .......................................................................................................... 153
4.1.1 Limitações das técnicas digitais ........................................................................................ 154
4.2 Circuitos combinacionais e sequenciais .......................................................................................... 156
4.3 Circuitos lógicos ....................................................................................................................................... 156
4.3.1 Noções de álgebra booleana ............................................................................................. 156
4.3.2 Tabela verdade ........................................................................................................................ 157
4.3.3 Portas lógicas........................................................................................................................... 158
4.3.4 Operadores da álgebra booleana .................................................................................... 160
4.3.5 Teoremas e leis da álgebra booleana .............................................................................. 161
4.3.6 Expressões equivalentes e complementares ............................................................... 163
4.3.7 Universalidade das portas NAND e NOR ....................................................................... 164
4.3.8. Simplificação de circuitos lógicos ................................................................................... 165
4.4 Circuitos multiplexadores e demultiplexadores ........................................................................... 169
4.4.1 Circuitos multiplexadores ................................................................................................... 169
4.4.2 Circuitos demultiplexadores .............................................................................................. 173
4.5 Conversores DA e AD .............................................................................................................................. 177
4.5.1 Conversor A/D ......................................................................................................................... 180
4.5.2 Conversor D/A ......................................................................................................................... 181
4.6 Circuitos codificadores e decodificadores ...................................................................................... 183
4.6.1 Códigos numéricos e alfanuméricos............................................................................... 183
4.6.2 Código BCD (Binary Coded Decimal) .............................................................................. 184
4.6.3 Circuitos decodificadores .................................................................................................... 186
4.6.4 Circuitos codificadores ......................................................................................................... 188
4.7 Flip-flop (multivibrador biestável) ..................................................................................................... 189
4.7.1 Flip-flop RS (“reset-set”) ....................................................................................................... 190
4.7.2 Flip-flop RS síncrono ............................................................................................................. 191
4.7.3 Flip-flop JK ................................................................................................................................ 192
4.7.4 Flip-flop JK mestre-escravo (master-slave) ................................................................... 193
4.7.5 Flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear .......................................................... 195
4.7.6 Flip-flop D ................................................................................................................................. 195
4.7.7 Flip-flop Tipo T......................................................................................................................... 196
4.7.8 Modelos comerciais de flip-flop ....................................................................................... 197
5 Microcontroladores .................................................................................................................................................. 201
5.1 Sistemas embarcados na automação industrial ........................................................................... 201
5.1.1 Microprocessadores na Automação Industrial ............................................................ 202
5.2 Microcontrolador ..................................................................................................................................... 204
5.3 Microcontrolador MICROCHIP PIC ..................................................................................................... 206
5.3.1 Recursos de um microcontrolador PIC ........................................................................... 208
5.4 Arquivos executáveis para microcontrolador ................................................................................ 213
5.5 Transferindo o programa ....................................................................................................................... 214
5.5.1 BOOTLOADER – Técnica para autoprogramação ........................................................ 216
5.6 Algoritmos .................................................................................................................................................. 217
5.7 Fluxograma ................................................................................................................................................220
5.8 Compilador ................................................................................................................................................ 221
5.8.1 Erros de compilação .............................................................................................................. 224
5.9 Linguagem C ............................................................................................................................................. 224
5.9.1 Criação de um programa .................................................................................................... 225
5.9.2 Como compilar ....................................................................................................................... 227
5.9.3 Transferindo o programa HEX ........................................................................................... 230
4.9.4 Laço infinito ............................................................................................................................. 231
5.9.5 Cuidados com pontuação e alinhamento ..................................................................... 233
5.9.6 Comandos para acionamento das saídas digitais ...................................................... 236
5.9.7 Comandos para leitura das saídas digitais .................................................................... 239
5.9.8 Tipos de dados ........................................................................................................................ 241
5.9.9 Nome das variáveis................................................................................................................ 246
5.9.10 Local da declaração de variáveis .................................................................................... 246
5.9.11 Tipos de dados complexos ............................................................................................... 248
5.9.12 Operadores ............................................................................................................................ 250
5.9.13 Paradigmas de programação .......................................................................................... 257
5.9.14 Estruturas de controle de fluxo ...................................................................................... 258
5.9.15 GOTO (vá para...) .................................................................................................................. 259
5.9.16 IF (condição se...) .................................................................................................................. 260
5.9.17 SWITCH / CASE (escolha) ................................................................................................... 262
5.9.18 WHILE – Estrutura de repetição ...................................................................................... 265
5.9.19 DO – WHILE (faça/enquanto)........................................................................................... 267
5.9.20 FOR (para) ............................................................................................................................... 267
5.9.21 Chamadas a funções / sub-rotinas ................................................................................ 269
5.9.22 Passagem de parâmetros ................................................................................................. 271
5.9.23 Passagem de parâmetros por referência .................................................................... 275
5.9.24 Retorno de dados ................................................................................................................ 276
5.9.25 Uso de display alfanumérico ........................................................................................... 276
5.9.26 PRINTF ..................................................................................................................................... 279
5.9.27 Comunicação serial ............................................................................................................. 282
5.9.28 ADC – Conversão analógica/digital .............................................................................. 285
5.9.29 PWM ......................................................................................................................................... 290
Referências ........................................................................................................................................................................ 295
Minicurrículo do Autor ................................................................................................................................................. 298
Índice .................................................................................................................................................................................. 299
Nesta unidade curricular “Processamento de Sinais” começaremos na área específica de 
formação, familiarizando-o com o processamento de sinais eletrônicos em sistemas de controle 
e automação. Consideraremos conhecimentos relativos à Eletrônica Analógica, Eletrônica Digital, 
Microcontroladores e Sensores(DCN-DN).
No primeiro capítulo, que é Eletrônica Analógica, identificaremos a aplicabilidade dos 
fundamentos de eletrônica analógica relativos aos sistemas de controle e automação. No segundo 
capítulo, Sensores, analisaremos o funcionamento de dispositivos sensores aplicáveis em sistemas 
de controle e automação. No terceiro capítulo, Sistemas Digitais, identificaremos a aplicabilidade 
dos fundamentos de eletrônica digital relativos aos sistemas de controle e automação. No último 
capítulo, que é o de Microcontroladores, identificaremos a aplicabilidade dos fundamentos de 
programação de microcontroladores relativos aos sistemas de controle e automação.
A seguir são descritos na matriz curricular dos módulos as unidades curriculares previstas e as 
respectivas cargas horárias. (Tabela 1)
Tabela 1: Técnico em Automação Industrial
MóduloS denoMInAção unIdAdeS CurrICulAreS CArgA
HorárIA
CArgA HorárIA
Módulo
Módulo Básico Fundamentos técnicos e 
científicos
• Fundamentos da Comunicação
• Fundamentos da Eletrotécnica
• Fundamentos da Mecânica
100h
140h
100h
340h
Módulo 
Introdutório
Fundamentos técnicos e 
científicos
• Acionamento de Dispositivos 
Atuadores
160 h
180 h
340h
• Processamento de Sinais
Específico I Manutenção e Implemen-
tação de equipamentos e 
dispositivos
• Gestão da Manutenção
• Implementação de Equipamentos 
Dispositivos
• Instrumentação e Controle
• Manutenção de Equipamentos e 
Dispositivos
34h
136h
102h
68h
340 h
Específico II Desenvolvimento de 
sistemas de controle e 
Automação
• Desenvolvimento de Sistemas de 
Controle
• Sistemas Lógicos Programáveis
• Técnicas de Controle
100h
160h
80h
340h
Fonte: SENAI 
Introdução
1
2
Eletrônica Analógica
Eletricidade é o fenômeno físico que tem origem na movimentação dos elétrons. Estudar 
eletricidade significa estudar as grandezas relacionadas a esta movimentação, como corrente, 
tensão e resistência.
Eletrônica, por sua vez, é a ciência que estuda a forma de controlar a energia elétrica, ou 
seja, de que forma podemos condicionar a movimentação dos elétrons em um circuito para 
obter o efeito desejado.
Por várias décadas, o homem tem usado a energia elétrica com o objetivo de transformá-
la em outras formas de energia, a fim de produzir um efeito específico, como, por exemplo, 
produzir luz, movimentar um motor elétrico, aquecer ou resfriar algo, gerar vibração e 
transformações físicas e químicas. A energia elétrica deve ser controlada para que sua 
transformação seja possível.
Controlar esta energia é o objetivo da ciência conhecida como ELETRÔNICA.
Na ELETRÔNICA ANALÓGICA estudamos as formas mais abrangentes de controle 
da energia elétrica. Dedicamo-nos ao estudo de comportamentos de campos elétricos, 
materiais condutorese semicondutores e sua aplicação no controle do fluxo de elétrons, 
para obter o resultado esperado da forma mais eficiente possível. Embora o conceito de 
ELETRÔNICA ANALÓGICA seja bastante abrangente, neste material vamos utilizar uma visão 
mais voltada ao seu uso na Automação Industrial, estudando os principais componentes 
utilizados em circuitos eletrônicos básicos presentes na área. Tais componentes são 
utilizados em máquinas e equipamentos para realizar o controle dos elétrons e obter o 
efeito desejado, geralmente relacionado à transformação da energia elétrica em outros 
tipos de energia (térmica, cinética, magnética etc.). Além dos já estudados resistores e 
capacitores, existem indutores, transformadores, relés, e ainda diversos componentes 
semicondutores, como diodos, transistores e circuitos integrados, entre outros.
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL22
Capacitor
Relés
Resistores
Conectores
Chave
Transistor
Capacitor
Circuitos integrados
Chave táctil
Diodos emissores de luz (LED)
Figura 1 - Circuito
Fonte: Autor
Durante este curso, vamos procurar estudar os principais componentes utilizados 
em circuitos eletrônicos (Figura 1) relacionados à área de Automação Industrial. 
Para isso precisamos rever os conceitos já estudados sobre ELETRICIDADE. Sendo 
assim, vamos fazer uma breve recapitulação destes conteúdos:
REVISANDO ELETRICIDADE
TENSÃO: é medida em Volts e identificada pelo símbolo U ou V. Representa 
a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Por exemplo, para medir a 
tensão de uma bateria, precisamos medir a tensão entre os dois polos da mesma 
bateira. Tensão define a força capaz de movimentar cargas elétricas de um ponto 
a outro. Para ficar mais claro, podemos imaginar a tensão como a “pressão que os 
elétrons exercem para ir de um ponto a outro”. (Figura 2)
Em condições normais de temperatura e pressão uma 
tensão de 1000V pode romper a rigidez dielétrica de 1 mm 
de ar, criando uma “faísca” entre dois pontos? Chamamos 
esta faísca de “arco elétrico” ou “arco voltáico”.
 VOCÊ 
 SABIA?
Figura 2 - Raio - Tensão
Fonte: Autor
2 ElEtrônica analógica 23
RESISTÊNCIA: é medida em Ohms e identificada pelo símbolo R. É a 
capacidade dos materiais em se opor à passagem de corrente elétrica. Quanto 
maior a resistência, mais difícil para as cargas se deslocarem pelo corpo. Além 
de oferecerem diferentes resistências entre si, alguns materiais ainda variam a 
resistência quando submetidos a variações de temperatura e pressão. A adição 
de alguns elementos em uma solução ou na composição de um determinado 
material também pode alterar significativamente sua capacidade condutiva. 
Graças a esta diversidade de comportamentos que os materiais apresentam ao 
serem submetidos a uma tensão elétrica, a eletrônica evoluiu.
CORRENTE: é medida em Ampères, identificada pelo símbolo I, e define o 
movimento ordenado de cargas elétricas em uma determinada direção em um 
determinado período de tempo. Quanto mais elétrons se deslocarem de um 
ponto a outro em um determinado período, maior a corrente. Segundo a lei de 
Ohm, existe uma relação diretamente proporcional entre corrente e tensão, e 
inversamente proporcional entre corrente e resistência, que é dada pela fórmula: 
I = U / R. Quanto maior a tensão, maior a corrente, e quanto maior a resistência por 
onde a eletricidade passa, menor a corrente. 
 FIQUE 
 ALERTA
Uma das grandes variantes que determina a fatalidade 
de um choque elétrico não é dada pela TENSÃO, mas 
pela CORRENTE. Como a corrente é determinada pela 
resistência do corpo em um choque elétrico, uma pessoa 
desprotegida, sem luvas isolantes e usando ferramentas 
inadequadas, pode ser submetida a uma corrente 
muito mais elevada do que um trabalhador usando EPIs 
adequados em uma linha de alta-tensão energizada.
CORRENTE CONTÍNUA: Refere-se a uma corrente que tem sempre o mesmo 
sentido. Nos acumuladores de energia (como baterias e capacitores) temos dois 
polos que sempre possuem a mesma polaridade (+ e -) e oferecem uma diferença 
de potencial específica. Se ligarmos esta fonte de energia em uma carga, teremos 
a energia sempre fluindo em uma mesma direção. 
Imagem de uma bateria e de um gráfico mostrando que a corrente se mantém 
constante durante o tempo. (Figura 3)
Tempo
Te
ns
ão
Figura 3 - Corrente contínua
Fonte: Autor
AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL24
CORRENTE ALTERNADA: Como o nome já diz, neste tipo de corrente o sentido 
da carga varia, alternando várias vezes por segundo. Esta quantidade de variações 
(frequência) é medida em ciclos por segundo, usando-se a unidade de medida 
Hz (Hertz). No Brasil, a rede elétrica é disponibilizada em 60Hz (proveniente de 
sistemas de geração e transmissão), enquanto em alguns outros países, como o 
Paraguai, a rede elétrica é 50Hz. (Figura 4)
Tempo
Te
ns
ão
Figura 4 - Corrente alternada
Fonte: Autor
O Paraguai vende ao Brasil a energia elétrica excedente 
gerada por sua parte da hidroelétrica de Itaipú, onde 
a corrente alternada de 50Hz proveniente das turbinas 
geradoras paraguaias é convertida para corrente contínua, 
e posteriormente volta a ser transformada em corrente 
alternada de 60Hz.
 VOCÊ 
 SABIA?
Em um sistema de corrente alternada monofásico (maioria das tomadas 
elétricas residenciais) sempre há ao menos um condutor que possui tensão 
positiva e negativa (oscilando várias vezes por segundo), e um sistema condutor 
de referência, chamado de NEUTRO. Em alguns casos, deve haver ainda um 
terminal de equipotencialização, que conhecemos como “terra”.
2.1 DIoDoS 
Os diodos são componentes geralmente usados com o intuito de definir a 
movimentação dos elétrons em um circuito. Em alguns casos também são usados 
com o objetivo de transformar energia elétrica em ondas eletromagnéticas. São 
produzidos através de semicondutores, que são materiais que reagem de forma 
diferente e controlada à passagem da corrente elétrica. (Figuras 5 e 6)
(K)(A)
Figura 5 - Símbolo do diodo
Fonte: Autor
Figura 6 - LED (diodo emissor de luz)
Fonte: Autor
2 ElEtrônica analógica 25
Para que servem os diodos?
Em alguns circuitos, são usados para fazer com que a corrente tenha um 
sentido único, funcionando como uma “válvula unidirecional”, deixando os 
elétrons passarem somente em um sentido. Neste caso, imagine a válvula 
de enchimento do pneu de um automóvel, também conhecida como válvula 
Schrader. Quando em perfeito funcionamento, ela permite que o ar entre no 
pneu, mas não permite que saia, senão o pneu perderia pressão. Da mesma 
forma, o diodo pode ser utilizado para criar um caminho de “mão única” aos 
elétrons, impedindo que voltem pelo circuito. Isso pode ser observado em 
circuitos retificadores, que são circuitos utilizados para converter a corrente 
alternada em corrente contínua. (Figura 7)
+
+
-
-
Figura 7 - Diodo retificador
Fonte: Autor
O diodo também pode ser utilizado para proteger circuitos contra sobretensão 
ou, ainda, contra a polarização invertida de circuitos e componentes. Na imagem 
abaixo, um circuito é protegido por um diodo em série com a alimentação, 
impedindo que haja corrente se o sistema for polarizado incorretamente. Isso 
é muito útil em equipamentos eletrônicos onde uma bateria ou o conector de 
alimentação DC possa ser instalado acidentalmente de forma invertida. Neste 
caso, sem a proteção oferecida por um diodo, o circuito energizado poderia fazer 
com que alguns componentes fossem incorretamente polarizados, o que leva o 
danos permanentes e à inutilização do circuito. (Figura 8)
CIRCUITO
+
-
BATERIA
+
- +
- ?
?
Figura 8 - Diodo em série na alimentação de um circuito eletrônico
Fonte: Autor
Outra aplicação bastante comum de diodos é em circuitos para proteger contra 
transientes de tensão (também conhecidos como picos de tensão ou surtos de 
tensão). Estes transientes ocorrem quando uma corrente elétrica é bruscamente 
interrompida, causando grande elevação de tensão (em um curto espaço de 
tempo). Diodos supressores de tensão são ligados em um circuito comumente