DESENVOLVIMENTO DE INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE CORRENTE POR MEIO DE SENSOR DE EFEITO HALL ACS714

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DESENVOLVIMENTO DE INSTRUMENTO DE MEDIÇÃO DE CORRENTE POR MEIO DE SENSOR DE EFEITO HALL
Djeiso Sandrin
Estudante - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia - Chapecó
djeiso.sandrin@gmail.com
 
Douglas Felipe Tomasi
Estudante - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia - Chapecó
tomasi.douglas@gmail.com
 
Felipe Kissmann
Estudante - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia - Chapecó
felipekiss12@gmail.com
Weiller Werner Wichnovski
Estudante - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia - Chapecó
weillerw3@gmail.com
 
Resumo- A proposta desse artigo é desenvolver um sistema de medição de corrente elétrica por meio de um sensor de efeito hall, especificando as características e aspectos do sistema tais como: sensibilidade, faixa de medição, resolução de entrada e saída, tempo de resposta, histerese e valor da incerteza de medição.
Palavras-Chave: Arduino. Efeito Hall. Instrumentação. ACS714
1. Introdução 
Conhecidos por suas medições não invasivas de corrente elétrica, os amperímetros do tipo alicate são comumente usados em aplicações de engenharia elétrica. Estes dispositivos fazem a leitura a partir da medição do campo magnético gerado pela própria corrente elétrica. Porém, amperímetros baseados em sensores do tipo bobina, se restringem a medições de corrente CA. Os alicates amperímetros que fazem leituras de corrente CC, são baseados em sensores de efeito hall. Partindo deste pressuposto de se fazer necessária a leitura de correntes contínuas, aqui se propõe um sistema de medição de corrente elétrica utilizando um sensor de efeito hall.
2. Conhecimento Teóricos
A fim de esclarecer	o funcionamento do sistema de medição, serão apresentados na sequência os princípios de funcionamentos das partes envolvidas.
2.1 Plataforma Arduino Uno
 Para o desenvolvimento desse sistema será utilizada a plataforma Arduino Uno conforme a Figura 01, que utiliza a linguagem C na programação do microcontrolador ATmega328p. O desenvolvimento do código proporciona que o microcontrolador monitore os valores do sensor de corrente de efeito hall, ou seja, o arduino tem como objetivo relacionar o sensor com o software.
Figura 01 - Arduino Uno.
 	O arduino será utilizado para alimentação e aquisição dos dados oriundos do sensor de efeito hall, que fará a leitura de corrente. A placa contém as seguintes especificações:
- Microcontrolador: ATmega328p 
- Tensão de Operação: 5V
- Tensão de Entrada: 7-12V
- Portas Digitais: 14
- Portas Analógicas: 6
- Corrente Pinos I/O: 40mA
- Corrente Pinos 3,3V: 50mA
- Memória Flash: 32KB (0,5KB usado no bootloader)
- SRAM: 2KB
- EEPROM: 1KB
- Velocidade do Clock: 16MHz
	O microcontrolador do Arduino trabalha internamente com dados digitais, portanto é necessário traduzir o sinal analógico, captado pelas portas analógicas, para um valor digital. Esse processo é feito pelo conversor Analógico digital, ADC ou conversor A/D. Um conversor A/D quantifica o valor analógico conforme a quantidade de bits da sua resolução que é dada pela equação 01:
				(01)
Onde:
 : Tensão de referência do conversor A/D
	 : Número de bits do conversor
O conversor A/D do microcontrolador possui 10 bits de resolução e a tensão de entrada utilizada é VCC(5V). Portanto este microprocessador possui uma resolução de 4.88mV, ou seja, é sensitivo a variações de tensão a cada 4.88mV. Este é um dado muito importante para a qualidade da medição.
2.2 Sensor de efeito hall
O Efeito Hall é um fenômeno que surge quando um campo magnético perpendicular ao fluxo da corrente é aplicado sobre um material condutor. Nessas condições, uma diferença de potencial surge no condutor, chamada de Tensão de Hall. Essa tensão é proporcional ao fluxo magnético da corrente, ou seja, a amplitude desta Tensão de Hall varia com a variação da corrente e o campo magnético.
Figura 02 - Efeito Hall.
2.2.1 ACS714 (ACS714LLCTR-30A-T) é um circuito integrado com um sensor de efeito Hall totalmente integrado fabricado pela Allegro. Possui internamente um condutor de baixa resistência. 
Este sensor pode ser encontrado já disposto em um placa eletrônica, com o intuito de facilitar a implementação em circuitos projetados para a leitura de corrente. A tensão de operação é de 5V e a saída possui uma sensibilidade de 66mV/A.
Figura 03 - Sensor de Efeito Hall.
Especificações:
Suporta entrada de corrente bidirecional, variando de -30A à +30A.
Erro total típico de ±1.5% em temperatura ambiente, tensão offset estável, histerese magnética quase nula.
	O sensor de efeito hall necessita ser alimentado nos pinos Vcc e GND com tensão de 4,5V à 5,5V. A saída analógica é proporcional a corrente de entrada. Quando o sensor for alimentado com 5V a tensão de saída é centrada em 2,5V variando 66mV por ampere na corrente de entrada.
2.4 Comissionamento do sinal
Como dito anteriormente, o ACS714 possuí uma saída de 66mV/A e um range de -30 à 30 amperes. No trabalho em específico que este sensor irá realizar, a corrente DC utilizada não passará de 10 amperes. Sendo assim, com o intuito de aumentar a resolução da leitura, será inserido um circuito amplificador entre o microcontrolador e o ACS714. Este amplificador será disposto na configuração diferenciador, com uma tensão de referência de 2.5 volts, visto que o sinal emitido pelo ACS714 é de 2.5 volts quando a corrente está em zero. Devido ao fato de que as entradas analógicas do arduino suportam até 5 volts de variação, o ganho planejado é de 5, ou seja, sendo a variação de 66 mV/A, em 10 amperes, o nível máximo de saída deste sinal, sem o circuito de amplificação seria de 666mV, posterior à implementação do circuito de amplificação, a variação será de 3.3 V, melhorando consideravelmente a resolução de leitura.
	Sabendo que o arduino é sensível a variações de tensão acima de 4.88mV. Sendo assim, sem à implementação do circuito de amplificação, o sensor varia de 2.5 V até 3.16 volts, havendo 136 estados possíveis. Após implementado o circuito amplificador, houve um incremento de 540 estados, tendo no total 676. Nota-se o quão melhorou o sinal lido pelo conversor AD. A figura abaixo mostra a simulação do circuito amplificador projetado.
Figura 04 - Circuito Amplificador
	Na leitura AC, não se faz necessário a implementação de um circuito amplificador pois há o dobro de estados da leitura DC, ou seja, 272 estados. A dificuldade desta leitura se dará em transformar os dados AC em uma corrente média, para posteriormente utilizar essa média como base para a atuação do controle. Todo o comissionamento do sinal AC será feito via software, sendo assim, não haverá nenhum circuito de amplificação ou retificação no sinal de saída do ACS714.
2.5 Tempo de leitura
	O tempo de leitura de sistema depende diretamente do ciclo leitura do conversor ADC do arduíno. O conversor precisa de 13 pulsos de clock do ADC para realizar a leitura. Como este trabalha com um clock recomendado entre 50 kHz e 200 kHz, mais especificamente para nosso caso 125 kHz, então dividindo o clock do conversor pelo número de pulsos necessários para conversão teremos a taxa de amostragem do sistema. Esse valor estaria numa faixa de 9600 amostras por segundo. Contudo, será utilizado uma média móvel de 10 medições, para prevenir ruídos proveniente dos sistema em geral. Com isso iremos obter 960 medidas por segundo, isso será algo próximo de uma leitura a cada 1mS.
2.6 Comunicação Serial
A comunicação serial é um protocolo de comunicação que transmite dados byte a byte, utilizando pulsos de 0 e 1 (on e off) através de pinos na porta serial ou via USB. 
O sistema de transmissão se dá através de uma comunicação assíncrona entre o receptor e o emissor, ou seja, ele pode receber e/ou enviar dados a qualquer momento. O processador identifica cada byte através do start bit, que configura início de mensagem, e end bit que diz onde termina a mensagem. Além disso, pode ser optado por bits que confirmam que a mensagem não teve erros de transmissão,um deles seria o bit de paridade, que faz uma soma binária do pacote e envia junto com o mesmo, ao chegar, o receptor faz a mesma soma, caso for diferente, ele já identifica que houve algum erro. Mas para isso aumenta-se um bit, fazendo com que, a mensagem se torna-se maior, com um total de 
Figura 06 - Modelo de mensagem da comunicação serial
 
Este sistema de comunicação utiliza a tabela ASCII de caracteres, mostrada na imagem a seguir, após cada leitura, o sistema faz uma conversão do dado recebido, para algum valor da tabela. Caso a leitura seja errada, ou nao haja nada, ele retorna -1 no buffer, para que o usuário possa identificar o erro.
Figura 07 - Tabela ASCII de caracteres
A comunicação serial tem uma taxa de transmissão de informações variável podendo ser de 1200 bps até 115.2 kbps, contudo o mais utilizado em sistema de comunicação com o Arduíno é o de 9.6kbps, devido ser uma velocidade que atende a maioria das necessidades sem prejudicar o desempenho do sistema do microprocessador.
	Para o projeto em específico, será utilizado a comunicação serial entre o Arduíno Uno e um software em um computador. Utilizaremos um baud rate de 9600 sem bit de paridade, o sistema será responsável pelo start up do teste e também pela visualização dos dados pelo usuário.
2.7 Visual Studio
	Visual studio é um ambiente de desenvolvimento integrado de aplicativos da Microsoft que utiliza linguagem de programação C# e com framework .NET. Com este software é possível desenvolver de forma prática e fácil, utilizando uma linguagem de programação de fácil entendimento.
	Para o projeto, será utilizado um aplicativo desenvolvido nesta plataforma, que irá fazer a interface entre o usuário e o equipamento, nele será disposto os dados obtidos dos testes. Também será por ele que será configurada a faixa de trabalho do sistema. Foi utilizado um período de amostragem de 100 mS para estes dados, o que para o usuário é imperceptível.
Figura 08 - Layout do aplicativo desenvolvido
3 Conclusão
	Após implementado, o dispositivo aqui projetado apresentou um bom funcionamento atendendo as expectativas. Em fase de testes, as leituras obtidas tanto em AC quanto em DC, tiveram um bom grau de exatidão e precisão, sendo que as mesmas também foram feitas com um amperímetro profissional, e suas diferenças de leituras são insignificantes para a aplicação proposta. Porém, existem alguns pontos que podem ser melhorados. 
O circuito de amplificação do sinal para leitura de correntes DC, apresentou uma tensão residual em 0A. Isso poderia ser facilmente corrigido com um pequeno ajuste de offset, porém, o amplificador utilizado não permite esse ajuste, assim requer que seja substituído por um que o permita. Outra situação que pode ocorrer é a variação na tensão de alimentação, sendo assim necessário um ajuste na tensão de referência, já que, atualmente o mesmo se faz através de um divisor resistivo. Esta situação poderia ser contornada com a implementação de um regulador de tensão fixa, como um LM317.
4 Referências Bibliográficas
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