Prévia do material em texto
PROJETO DE SISTEMAS MICROPROCESSADOS AULA 1 Prof. Charles Way Hun Fung 2 CONVERSA INICIAL Nesta rota estudaremos os dispositivos que fazem a aquisição dos dados do ambiente: os sensores, que são dispositivos eletrônicos capazes de capturar alguns tipos de informação de uma grandeza natural: tensão, velocidade, pressão, temperatura etc. A seguir serão apresentadas as classificações, terminologias, princípios de funcionamento. Bom estudo! TEMA 1 – DEFINIÇÕES E CONCEITOS BÁSICOS Variáveis É a quantização de um fenômeno físico, expresso em cada caso por sua respectiva unidade no sistema de medição. Exemplos: temperatura, pressão, intensidade luminosa, etc. Atuadores Dispositivos que produzem movimento ou modificação da variável controlada quando recebem um sinal proveniente do controlador. Estes comandos podem ser manuais, elétricos ou mecânicos. Exemplos: motores, válvulas etc. Sensores Dispositivos ou circuitos eletrônicos que permitem a aquisição de dados de uma determinada condição do ambiente, que pode ser simples como a temperatura, ou complexa, como a medição da rotação de um motor; ou ainda, elementos distantes do cotidiano, como a detecção de partículas radioativas. a. Sensores analógicos Estes sensores recebem o sinal de entrada que pode variar continuamente dentro de sua faixa de operação. Por exemplo: um sinal pode variar no tempo de 0V a 5V. 3 Qualquer grandeza na natureza pode possuir tal comportamento, como a velocidade, a temperatura, a tensão, a luminosidade, a força etc. A forma de recepção vai depender do dispositivo eletrônico de aquisição. Figura 1: Gráfico da resposta de um sensor analógico b. Sensores digitais Nestes sensores há dois possíveis valores de entrada: nível alto (ou nível lógico 1) e nível baixo (ou nível lógico 0). Estes dados são recebidos obedecendo a um critério chamado amostragem. Os dados são lidos pelo sensor em um determinado tempo chamado tempo de amostragem. Na natureza não existem dados binários, mas sim dados convertidos por um transdutor. Exemplos destes tipos de leituras são as chaves ópticas ou encoders. Figura 2: Gráfico da resposta de um sensor digital Transdutores Dispositivo completo, que contém o sensor usado para transformar uma grandeza qualquer em outra que pode ser utilizada pelo dispositivo que pediu a leitura. Pode ser considerado uma interface entre o ambiente e o circuito de controle. 4 Conversão A/D Quando o sinal de um determinado sensor está em formato analógico é possível convertê-lo para digital, fazendo a amostragem deste sinal e com que cada pequeno intervalo analógico corresponda a uma sequência de bits. Na Figura 3 é mostrado o processo de amostragem para a conversão analógica – digital de forma gráfica. Figura 3: Amostragem do sinal digital Conversão D/A: É o processo contrário da conversão A/D. Com base nos valores armazenados na memória, estes são convertidos em seus respectivos valores de tensão analógicos correspondentes. Características fundamentais: O fundamental para desenvolver um projeto é considerar os principais fatores a serem integrados. Para os sensores, deve-se deixá-los em plenas condições de operação. Para isto, devemos compreender suas características. Tipos de saída: a. Digital ou binária É uma saída discreta que pode possuir dois valores: nível lógico alto (1) e baixo (0). Normalmente é usada pelo transdutor que transforma a medida vinda do sensor com base em um determinado limite, como visto na Figura 4, que quando acima do limite, seu valor de entrada fica em nível alto. No caso de valores abaixo do limite a saída fica em nível lógico baixo. 5 Figura 4: Representação de uma saída digital de um sensor b. Analógica É uma saída que pode assumir qualquer valor entre o máximo e o mínimo valor de operação do sensor. Neste caso, a saída do transdutor segue o próprio comportamento da grandeza medida na natureza. A Figura 5 ilustra uma leitura analógica de uma grandeza. Figura 5: Representação de uma saída analógica de um sensor 6 Sensibilidade É a relação entre saída e entrada do sensor. Este valor é representado pelo termo ganho: quanto maior for este valor, maior será o valor da saída sobre a entrada. Por exemplo: entrada 10mV, saída 1V – o ganho ou sensibilidade do sensor é de 100. Exatidão É o erro na medição realizada por um sensor ou transdutor em relação à medida padrão. Este valor indica o quanto o sensor consegue chegar próximo ao valor verdadeiro da grandeza medida. Precisão É o grau de repetibilidade do valor medido por um sensor. Isto se deve ao fato de que o sensor possui um erro em sua leitura, o qual é influenciado pelo tipo de grandeza medida, condições de operação, estado de conservação do sensor e a qualidade do próprio dispositivo. Um exemplo disso se dá na medição de umidade, que a maioria dos sensores comerciais apresenta um erro de 2 a 10%. Linearidade Em sensores analógicos, quando é montado o gráfico das medições, diz- se que tem um comportamento linear se a curva resultante representar uma reta ou algo semelhante. No caso ideal, sensores e transdutores possuem uma resposta reta. Entretanto, para a maioria das grandezas medidas a resposta é não linear. Para se obter um comportamento linear, são selecionados intervalos de valores medidos que sejam lineares. Alcance (range) É toda faixa de valores que o sensor consegue medir em sua entrada. Estabilidade Está relacionada à saída do sensor. Se a variação for muito grande, este é considerado de baixa estabilidade. A flutuação dos valores de saída deve ser tratada pelo sistema. 7 Velocidade de resposta É a velocidade com que o sensor fornece o valor da variável. O ideal é uma resposta instantânea para o sistema, entretanto, dependendo da grandeza, a complexidade do circuito eletrônico que faz a medição pode causar um atraso no recebimento dos dados. TEMA 2 – CLASSIFICAÇÃO DOS SENSORES Os sensores podem ser classificados de diversas formas: Quanto à operação; Quanto à função; Quanto à grandeza física resultante. a. Quanto à operação: Indica como o sensor vai operar quando ligado ao circuito, pode-se separar em dois grupos bem definidos: Ativos – Estes sensores não precisam estar alimentados por algum circuito eletrônico para produzir uma saída. Por exemplo, o termopar, que quando é aquecido produz uma tensão na saída. Passivos – São sensores que precisam de uma alimentação externa para gerar o sinal de saída. Exemplo: a termorresistência precisa estar alimentada para poder produzir um sinal na saída. b. Quanto à função Indica como é a forma do sinal de saída. Analógico – Fornece um sinal de saída analógico, ou seja, um sinal que possui uma curva contínua que o descreve. Exemplos: tensão, ângulo de rotação (potenciômetro). Discreto – Este sensor produz uma saída com base em um tempo de amostragem, normalmente o formato desta saída é binário. Exemplo: as chaves ópticas. c. Quanto à grandeza física resultante São classificados de acordo com a natureza do que é medido. 8 Mecânicos São sensores que fazem a medição de grandezas físicas como deslocamento e movimento, como velocímetros (velocidade), paquímetro (comprimento), giroscópio (posicionamento), manômetro (pressão), balança (massa). Elétricos São sensores cuja medição resulta em uma tensão, devido à variação de resistência elétrica, capacitância, indutância e carga elétrica. Segundo (Kondrasovas, 2015), os sensores podem ser divididos em: Passivos: Resistivos; Indutivos; Capacitivos. Ativos: Termoelétricos; Piezoelétricos; Fotoelétricos. ÓticosOs sensores fotoelétricos utilizam a luz para a detecção de objetos. Consistem em um dispositivo chamado fotodiodo, o qual funciona baseado no fato de que a corrente na junção PN polarizada no sentido inverso varia com incidência da luz. Exemplos: LDR e chaves óticas. Magnéticos Segundo (Kondrasovas, 2015) são sensores que são acionados quando entram em contato com um campo magnético. São sensores constituídos por materiais ferromagnéticos como Níquel, Ferro etc. Uma propriedade que é utilizada para o funcionamento destes sensores é o efeito Hall, que gera uma diferença de potencial proporcional ao campo magnético atuante. 9 Acústicos Conhecidos como sensores ultrassônicos, consistem na emissão de ondas sônicas de alta frequência que serão refletidas pelos objetos a serem detectados. Esta onda retorna para o sensor depois de um tempo proporcional à distância dos objetos. Químicos São sensores baseados em reações químicas que alteram a condutividade elétrica. Biológicos São enzimas que são produzidas em certos organismos de animais que podem ser usados para detectar baixos níveis metabólicos, como a enzima luciferase, presente em inúmeros insetos. TEMA 3 – TIPOS DE SENSORES Neste tema serão abordados os sensores de cada tipo apresentado na classificação. Sensores de Movimento e Direção a. Velocímetro Sensor usado para medir velocidade, possui um funcionamento muito parecido com o de um motor de indução. A Figura 6 a seguir mostra o esquemático de um velocímetro magnético. Figura 6: Velocímetro magnético Fonte: 10 Um cabo acoplado à caixa de mudanças funciona como um sensor de rotação, transmitindo este movimento a um imã na caixa do velocímetro. O imã terá uma rotação equivalente à velocidade da roda. O movimento induz no disco de metal próximo uma corrente que cria um campo que se opõe ao ímã e com isso surge uma força que tende a movimentá-lo. O disco está acoplado à agulha indicadora e a uma mola. Desta forma, o movimento do disco e da mola é proporcional ao movimento de rotação do ímã. (INST. NEWTON BRAGA) A rotação do sistema é diretamente conectada ao movimento do carro e sua velocidade. A calibragem deste sensor se faz de acordo com o aro do pneu, pois alterando-se o diâmetro da roda, mudará a indicação do velocímetro. Outro fator que influencia a leitura é a calibragem do pneu. b. Odômetro Chamado também de hodômetro, é um sensor usado para medir distâncias percorridas. Presente em todo automóvel, é indicado no painel com a abreviação "ODO" para distância total e "DST" para distância parcial. O funcionamento deste sensor é ligado à unidade de redução presente nos veículos. Assim, se o odômetro for 1690/1 indica que o eixo precisa girar 1690 vezes para que o aparelho registre uma milha ou um quilômetro percorrido. O mecanismo do odômetro mecânico é acionado por um cabo flexível que é feito por uma mola firmemente enrolada dentro de um tubo de metal protegido em borracha. Este cabo faz o caminho até o painel de instrumentos e é conectado ao eixo de entrada do odômetro. Há três engrenagens sem fim, como mostrado na Figura 7. Após o eixo de entrada acionar o primeiro eixo de rosca, em seguida aciona a primeira engrenagem. Após uma rotação completa da primeira engrenagem a segunda começa a rodar e assim por diante. A terceira engrenagem está acoplada ao indicador de uma milha. (CARRO DE GARAGEM, s/d) Figura 7: Engrenagem do odômetro Fonte: . 11 c. Monômetro de tubo Bourdon O manômetro é usado para medir pressão, e a variedade que usa tubo de Bourdon é uma das soluções mais frequentemente utilizadas. O esquema deste sensor é apresentado na Figura 8. Este consiste em um tubo em formato de "C", fechado em uma extremidade. A variação da pressão faz com que o ponteiro se movimente, indicando a pressão em uma escalar circular. Este sensor é aplicado em cilindros de gás comprimido em indústrias e hospitais. Figura 8: Tubo de Bourdon d. Potenciômetro Consiste em um resistor com resistência variável, com um cursor deslizante na superfície condutiva. O valor da resistência é baseado na posição do cursor, sendo o máximo o seu valor nominal. A Figura a seguir apresenta a pinagem do potenciômetro. Figura 9: Pinagem do potenciômetro 12 e. Extensômetro (strain gage) É um sensor que é usado para medir o grau de uma deformação. O princípio de funcionamento é um fio resistivo que tem sua resistência alterada de acordo com o alongamento da superfície em que está colocado. Esta variação de resistência pode ser notada por um circuito de aquisição. Desta forma, estes valores podem ser convertidos em tensão mecânica. A Figura 10 mostra as partes de um extensômetro. Figura 10: Partes de um extensômetro Para fazer a captura da variação deste sensor faz-se uso de um circuito de captura bem conhecido chamado ponte de Wheatstone. Esta é muito usada para captura de variações mínimas de resistência. Idealmente a ponte possui resistores com valores iguais, desta forma a medição G (na Figura 11) se mantém em zero. Isto indica que a ponte está balanceada. O extensômetro substitui um dos resistores, desequilibrando a ponte e resultando um valor de tensão em G. Este valor pode ser capturado por um microcontrolador e interpretado como a variação da resistência ou deformação do sensor. Figura 11: Configuração de uma ponte de Wheatstone 13 f. Termistores Conhecidos como RTD (Resistance Temperature Detectors), estes sensores têm resistência que varia com a temperatura. São dispositivos formados por material semicondutor óxido-metálico. Existem dois tipos: PTC (Positive Temperature Coefficient) – a resistência aumenta com o aumento da temperatura; e NTC (Negative Temperature Coefficient) – a resistência diminui com o aumento da temperatura. A Figura 12 ilustra o termistor e a curva de resposta da resistência pela temperatura. Figura 12: Termistores e a resposta de um termistor NTC à temperatura g. Sensor capacitivo Aplicados em telas sensíveis ao toque, mais conhecidas como touch screen. As telas capacitivas têm essa propriedade devido aos capacitores, que mantêm uma carga constante na superfície do monitor. A capacitância varia por alteração no posicionamento dos elétrons ou alteração do dielétrico. Segundo (Kondrasovas, 2015) a variação da capacitância é convertida em desvio na frequência de um oscilador ou desvio de tensão em uma ponte. A Figura a seguir apresenta as formas de reconhecimento de toque. Figura 13: Possíveis formas de toques em uma tela touch screen Fonte: . 14 h. Sensores óticos – chave óptica A chave óptica consiste em um dispositivo transmissor do feixe (LED) e um receptor (fotodiodo ou fototransistor). Para ocorrer um evento ou acionamento, deve-se interromper este feixe. Quando isto ocorre é enviado um sinal de comando produzido pelo sensor. Uma aplicação comum para estas chaves é a de detectar a posição de peças ou pessoas. Outras aplicações, são, por exemplo, os encoders, que servem para medir a rotação de engrenagens ou eixo de motores. A Figura 14 demonstra o funcionamento de uma chave óptica. Figura 14: Funcionamento de uma chave óptica Fonte: . A Figura 15 mostra o uso de uma chave óptica para detecção do movimento de uma engrenagem. Figura 15: Chave óptica usada para medição da velocidade de uma engrenagem Estas chaves podemser conectadas em qualquer porta digital de um microcontrolador, a detecção é feita pela amostragem de nível lógico; dependendo da chave óptica, deve-se contar nível lógico 1 ou 0. 15 i. Sensores fotovoltaicos Os painéis solares são formados por placas com células fotovoltaicas, as quais são compostas por material semicondutor que, quando exposto à luz solar, causa um movimento de elétrons, gerando uma corrente elétrica. Uma vez que cada célula produz uma pequena quantidade de corrente, faz-se a associação destas em um encapsulamento. Este conjunto é chamado de módulo fotovoltaico. O agrupamento de módulos forma um painel. A Figura 16 apresenta um painel solar com suas partes. Figura 16: Partes de um painel solar j. Sensores magnéticos Também conhecidos como reed switch ou interruptor por lâminas, consiste em uma ampola de vidro com duas lâminas em seu interior com contatos especiais em suas extremidades. A ampola para evitar oxidação é cheia de gás inerte. Em uma chave normalmente aberta (NA), as lâminas ficam separadas, devido ao fato das lâminas serem de material ferroso; quando sofrem a influência de um campo magnético faz com que se atraiam e fechem um circuito. A Figura 17 apresenta o esquema de um sensor reed switch. Figura 17: Esquema de um reed switch Fonte: . 16 k. Sensor ultrassônico Estes sensores se caracterizam por operar uma onda mecânica que não é sujeita à interferência de ondas eletromagnéticas, ou seja, é totalmente limpa de interferências desta natureza. O funcionamento é semelhante ao do sonar de um morcego, que é usado para detectar objetos. As ondas ultrassônicas são enviadas e refletidas por objetos e capturadas por um sensor colocado em uma posição apropriada. Uma observação é que só ocorre uma reflexão em quantidade suficiente se o objeto tiver dimensões que se aproximam do comprimento de onda do sinal, ou maiores que isto. Este sensor é formado por um transmissor e um receptor, podendo estar juntos na mesma estrutura ou separados. A Figura 18 apresenta um sensor ultrassônico fazendo a detecção de um objeto. Figura 18: Sensor ultrassônico detectando um objeto Estes sensores, além de detectar objetos, podem medir a distância entre o transmissor e o objeto. Para isto, deve-se ter um formato bem definido na arquitetura do emissor e receptor. Aplicações que usam esta funcionalidade são fabricadas para verificar o nível dos produtos em embalagens, assim como robôs ou carros para detecção de distância de objetos. A Figura 19 ilustra o uso do sensor de ultrassom em diversas aplicações. Figura 19: Aplicação dos sensores de ultrassom Fonte: 17 TEMA 4 – SENSOR LDR (LIGHT DEPENDENT RESISTOR) O sensor LDR é uma resistência cujo valor varia de acordo com a exposição à luz. O dispositivo ORP-12 tem uma resistência que varia de muito alta – no caso de escuro – a baixa, quando exposto à luz. A ligação do LDR no microcontrolador é muito simples, porém exige calibração. A Figura a seguir apresenta a forma de se fazer o interfaceamento com o sensor. Figura 20: Interfaceamento com o sensor LDR Fonte: WINTER, s/d, p. 17. O sensor LDR não tem uma resposta linear, e as leituras têm uma grande variação da resistência para altos níveis de iluminação. Isto pode ser compensado por software. No caso de níveis mais escuros, a variação é menor, podendo usar faixas de gama que podem ser usadas para ajustes do circuito e às condições de iluminação. A Figura a seguir apresenta o comportamento do LDR. (WINTER, s/d, p. 17) Figura 21: Resposta do LDR O interfaceamento do LDR é feito por um divisor resistivo, descrito na Figura 22. Este é composto por dois resistores ligados em série. 18 Figura 22: Divisor resistivo A tensão no ponto entre os resistores das resistências e da tensão de alimentação e pode ser calculado da seguinte forma: O sensor LDR pode substituir qualquer um dos resistores, o valor recomendado do outro resistor deve estar entre o valor mínimo e o valor máximo da resistência do LDR. Quando o LDR substitui o resistor R2, a tensão do circuito irá aumentar de acordo com a luminosidade, desta forma, quando aumenta a quantidade de luz sobre o LDR a sua resistência diminui e a tensão na saída tende a aumentar. No caso do sensor no lugar de R1, o funcionamento é o contrário do descrito anteriormente. O valor da tensão na saída aumenta quando a luminosidade do ambiente diminui. A Figura 23 apresenta as duas formas descritas. Figura 23: Divisor resistivo com o LDR 19 TEMA 5 – SENSOR DE TEMPERATURA (LM35) O sensor de temperatura mais popular utilizado nos circuitos eletrônicos possui o encapsulamento semelhante ao de um transistor TO-92 de três pinos. O LM35 é um circuito integrado de sensor de temperatura de precisão; a Figura 24 apresenta o sensor com sua pinagem. Figura 24: Pinagem do LM35 O sensor de temperatura LM35 tem uma saída analógica de tensão de 10mV/°C. Possui uma faixa de operação para medição de -55°C até 150°C com precisão de ±0,5°C. A saída do sensor pode ser conectada diretamente a qualquer pino analógico de um microcontrolador. No funcionamento do LM35 há a razão de que para cada 10 mV na saída representa um grau Celsius. Por exemplo: se houver uma medição que indique 100 mV, será medido como 10°C, assim é possível usar multímetro ou osciloscópio como termômetro. Aplicação do LM35 – Controlador de temperatura O circuito acima é um sinalizador ou controlador de temperatura. Ele usa dois LEDs – D1 e D2 – cuja posição é controlada pela temperatura do ambiente. Podemos ver que ele usa o sensor de temperatura LM35, e a saída do LM35 é ligada à entrada não inversora do circuito integrado amplificador operacional CA3130. A entrada inversora do amplificador operacional é a tensão de referência específica, deve se configurar usando o trimpot R2. Isso quer dizer que a tensão de referência regulada em R2 de 0,8 V, a tensão na entrada não inversora (saída do LM35) torna-se 0,8 V, quando a temperatura é de 80 graus Celsius. Com isso a saída do IC3 vai para saturação positiva, fazendo com que o transistor Q1 conduza e acenda o LED D1. Já a base do Q2 está ligada ao coletor de Q1; Q2 vai ser alterado e o LED D2 permanece apagado. Quando a temperatura está abaixo de 80 graus Celsius, IC1 inverte o acendimento dos LEDs. Como todo circuito de precisão, esse circuito 20 requer uma fonte estabilizada para um funcionamento perfeito. (NOVA ELETRÔNICA, s/d) Figura 25: Circuito controlador de temperatura com LM35 Fonte: . SÍNTESE Nesta aula aprendemos como reconhecer, classificar e utilizar os sensores, bem como suas características e princípios de funcionamento. O uso de alguns tipos de circuitos para fazer o interfaceamento dos sensores – como as pontes de Wheatstone, conversores A/D e divisores resistivos. Por isso, podemos dizer que os sensores têm os mais diversos tipos de aplicações. Alguns conceitos devem ter sido fixados: Saída analógica e digital A forma com que os dados são recebidos pelos microcontroladores tem extrema importância. Por este dado é possível ter o conhecimento sobre como receber e tratar o dado do sensor. Tipos de grandezas físicas Para cada tipo de grandeza física há um tipo de sensor para fazer a aquisição deste dado; a natureza do dado recebido deve ser bem compreendida para o melhor trato do dado. Circuitos de aquisição Se não é possível receber os dados diretamente na porta do microcontrolador, deve-se pensar em um circuito paraformatar o dado de entrada de modo adequado. 21 REFERÊNCIAS BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V. J. Instrumentação e fundamentos de medidas: volume 2. Rio de Janeiro, LTC, 2007. COMO funciona o odômetro do carro? Carro de Garagem. Disponível em: . Acesso em: 9 maio 2017. COMO funciona o velocímetro? Instituto Newton C. Braga. Disponível em: . Acesso em: 9 maio 2017. FLOYD, T. L. Sistemas digitais: fundamentos e aplicações. 9. ed. Porto Alegre: Bookman, 2007. KONDRASOVAS, I.; 6. Transdutores, sensores e atuadores: material de aula. 2015. Disponível em: . Acesso em: 9 maio 2017. LM35 – O SENSOR de temperatura mais popular. Nova Eletrônica. Disponível em: . Acesso em: 9 maio 2017. THOMAZINI, D.; ALBUQUERQUE, P. U. B. Sensores industriais: fundamentos e aplicações. 5. ed. São Paulo: Érica, 2005. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S.; MOSS, G. L. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11. ed. São Paulo: Pearson, 2011. WINTER, R. Circuitos de interface para microcontroladores. Disponível em: . Acesso em: 9 maio 2017.