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7/25/2019 Turbidimetro com uso de fotodiodo
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA
Relatrio Final
Trabalho de Graduao II
Turbidmetro com uso de fotodiodo
Autor: Walter Wascheck Neto
Orientador: Prof. Dr. Luiz Otvio
Campinas, novembro de 2013
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA
Relatrio Final
Trabalho de Graduao II
Turbidmetro com uso de fotodiodo
Autor: Walter Wascheck Neto
Orientador: Prof. Dr. Luiz Otvio
Curso: Engenharia de Controle e Automao
Trabalho de Graduao apresentado Comisso de Graduao da
Faculdade de Engenharia Mecnica, como requisito para a obteno do ttulo de
Engenheiro de Controle e Automao.
Campinas, 2013
S.P. Brasil
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Agradecimentos
Este trabalho no poderia ser terminado sem a ajuda de diversas
pessoas e instituies s quais presto minha homenagem:
Ao Prof. Dr. Luiz Otvio cuja experincia e pacincia me possibilitaram,
em 6 meses destinados a disciplina de TG2, projetar, construir e testar um
projeto de complexidade que poucos tem a oportunidade de ter contato durante
a graduao.
Ao Sr. Marcilio Messias da Silveira pelo apoio e instruo durante a
montagem do projeto.
Faculdade de Engenharia Eltrica e Computao pela disponibilizao
de estrutura e materiais usados no decorrer do projeto.
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Sumrio
Resumo ......................................................................... 1
Lista de Figuras .............................................................. 2
Lista de Tabelas .............................................................. 3
1. Introduo e Objetivos ................................................ 4
2. Reviso Bibliogrfica ................................................... 6
2.1. Medidas de Turbidez .............................................. 6
2.2. Transmisso de sinais ............................................ 82.2.1.
Modulao por Amplitude de pulso ..................................... 8
2.3. Turbidmetro ......................................................... 9
2.3.1. Elementos bsicos ........................................................... 9
2.3.2. Modelo alvo .................................................................. 10
2.4. Acionamento pulsado de LEDs.............................. 11
2.5. Fotodiodos .......................................................... 11
2.5.1. Condicionamento do Sinal ............................................... 12
3. Circuitos Propostos ................................................... 13
3.1. Acionamento do LED ............................................ 13
3.2. Circuito Amplificador ............................................ 14
4. Projeto de circuito completo ....................................... 17
4.1. Componentes ...................................................... 17
4.1.1. PIC 18F4550 ................................................................. 18
4.2. Circuitos ............................................................ 21
4.2.1. Circuito de acionamento do LED ...................................... 21
4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23
4.2.3. Circuito para controle do dispositivo ................................. 24
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4.2.4. Circuito de reset do PIC .................................................. 29
4.2.5. Circuito de alimentao .................................................. 29
4.2.6. Comunicao USB com Computador ................................. 30
4.3. Testes ............................................................... 335. Projeto .................................................................... 36
5.1. Projeto de circuito impresso .................................. 36
5.1.1. Layout ......................................................................... 36
5.1.2. Mtodo para confeco ................................................... 39
5.2. Projeto da cmara escura ..................................... 42
5.3. Programao ...................................................... 45
5.3.1. Configurao ................................................................. 45
5.3.2. Comunicao USB com PC .............................................. 48
5.4. Projeto completo ................................................. 50
6. Resultados .............................................................. 52
7. Concluses e perspectivas ......................................... 57
8. Bibliografia .............................................................. 58
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Resumo
WASCHECK, Walter, Turbidmetro com uso de fotodiodo, Faculdade de
Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Campinas, Trabalho deGraduao.
Busca-se apresentar, de forma simples, como podemos fazer a
construo de um aparelho capaz de medir a turbidez de lquidos atravs do
uso de componentes eletrnicos simples e de baixo custo. So apresentados
conceitos presentes do universo da turbidimetria aplicados ao cenrio tcnico
de projeto de circuito eletrnico. Sugere-se o uso de um fotodiodo e so
apresentadas sugestes de circuitos e componentes eletrnicos capazes de
suprir as necessidades apresentadas pela aplicao almejada. Alm disso,
apresenta-se o mtodo de confeco de circuitos manual e os testes realizados
para mostrar que os projetos sugeridos respondem de maneira potencialmenteaplicvel ao mercado.
Palavras Chave: Turbidmetro, sensores, fotodiodos, turbidez.
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Lista de Figuras
Figura 2.1 - Representao esquemtica das tcnicas de medio de
turbidez ................................................................................................... 6
Figura 2.2 Modulao por amplitude de pulso .................................. 9
Figura 2.3 Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003) .......... 10
Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LEDs (Martins,
2012). ................................................................................................... 14
Figura 3.2 - Amplificador de transimpedncia para a monitorao da
fotocorrente ........................................................................................... 15
Figura 4.1 Pinos PIC 18F4550 ...................................................... 19
Figura 4.2 - Circuito acionador do LED ............................................. 22Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23
Figura 4.4 Filtro para eliminar rudos na alimentao dos componentes 24
Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequncias prximas a
duas vezes a frequncia do sinal. .............................................................. 26
Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing ........................................................ 27
Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema ..................................... 28
Figura 4.8 - Circuito para reset ....................................................... 29Figura 4.9 - Circuito para alimentao de 5V constantes .................... 30
Figura 4.10 - Circuito para comunicao USB geral (Pictronics.com,
Acessado em 02/10/2013) ....................................................................... 31
Figura 4.11 - Esquemtico final ...................................................... 32
Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo ................................... 33
Figura 4.13 - Comportamento da tenso em relao distancia do
emissor ................................................................................................. 34
Figura 5.1 - Topografia da camada superior ..................................... 37
Figura 5.2 - Topografia da camada inferior ....................................... 38
Figura 5.3 - Topografia completa .................................................... 38
Figura 5.4 - Esquemtico de placa de cobre genrica......................... 39
Figura 5.5 - Placa com mscara de tonner - Camada superior ............ 41
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Figura 5.6 - Placa com mscara de tonner - Camada inferior .............. 41
Figura 5.7 - Circuito montado com componentes .............................. 42
Figura 5.8 - Esquemtico da cmara escura ..................................... 43
Figura 5.9 - Cmara escura pronta .................................................. 44
Figura 5.10 - Configurao do ADCON1 ........................................... 46Figura 5.11 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47
Figura 5.12 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47
Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID ............................. 49
Figura 5.14 - Estrutura completa montada ....................................... 51
Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentraes: 100%, 70%, 30%,
0%) ...................................................................................................... 52
Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos ............................... 54Figura 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico .................... 55
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4
considerando alimentao de 3.3V. ........................................................... 13
Tabela 3.2 - Parmetros do BPV10NF .............................................. 16
Tabela 4.1 - Componentes. ............................................................ 17
Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED. ....................... 22
Tabela 4.3 - Tenses de sada do fotodiodo ...................................... 34
Tabela 6.1 - Concentrao das amostras.......................................... 52
Tabela 6.2 - Mdias e desvio padro das leituras dos fotodiodos ......... 53
Tabela 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico ................... 53
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1.Introduo e Objetivos
Atualmente, um importante problema encontrado nos cenrios de
anlise de efluentes e da qualidade de rios crregos a turbidez da gua. Do
ponto de vista sanitrio, a importncia da medida da turbidez da gua estintimamente relacionada a trs aspectos principais:
a. Esttica: comum relacionar-se gua turva com gua poluda,
inclusive em nveis de pequena turbidez, ou seja, a determinao
da turbidez da gua pode levar a um tratamento para que ela seja
mais bem aceita pelas pessoas.
b. De filtrabilidade: em tratamento de guas, a filtrao torna-se
mais difcil, ou mesmo mais onerosa, com o aumento da turbidez,
ou seja, a determinao dessa caracterstica da gua, pode levar a
adaptaes no tratamento que tornem o processo menos oneroso
ou custoso em relao a tempo.
c. De desinfeco: a desinfeco da gua tanto mais difcil quanto
maior a sua turvao, uma vez que esta diminui o contato do
desinfectante com os microrganismos, ou seja, a determinao da
turbidez pode levar uma prvia do resultado da desinfeco.
Apesar de j existirem equipamentos para a determinao da turbidez
da gua, eles ainda so caros, ou pouco precisos. Nesse cenrio, o
desenvolvimento de um equipamento que seja capaz de medir a turbidez de
uma amostra, com baixo custo passa a ser um assunto de interesse.
O objetivo desse trabalho o projeto e a construo de um medidor deturbidez de baixo custo com uso de fotodiodos como fotodetector. O fotodiodo
comumente associado a uma maior sensibilidade quanto a deteco de luz
(Garca, 2007), o que se torna muito interessante para o projeto de um
equipamento que deve, ao receber um sinal de luz, gerar dados slidos para
interpretao quanto turbidez da amostra analisada.
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Para tanto, como referncia, foi usado um trabalho desenvolvido por
Martins, G. S. (2012). (Construo de um turbidmetro de baixo custo para
controle de qualidade de efluentes industriais.)entretanto, houve a substituio
do fototransistor, usado pelo autor, por um fotodiodo. Um ponto importante
que o resultado do trabalho no implica em um produto pronto, apenas em umprottipo capaz de medir a luminosidade que atravessa uma amostra de gua,
sendo que, vrias mudanas relacionadas mtodos de fabricao, materiais, e
empacotamento podem ser implementadas para melhoramento dos resultados
obtidos.
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2.Reviso Bibliogrfica
2.1. Medidas de Turbidez
Quando um feixe de luz passa atravs de um fluido contendo partculas
slidas, essas partculas interagem com a luz, absorvendo-a e dispersando-a
em todas as direes, essa interao a responsvel pela caracterstica de
turbidez dos fluidos. As medidas turbidimtricas so obtidas atravs da
quantizao da diminuio da radiao que passa pelo fluido para medir a
turbidez do meio analisado.
Para essas medidas de turbidez existem duas possibilidades, a
turbidimetria e a nefelometria. A diferena bsica entre essas duas tcnicasest na disposio do detector de radiao, na primeira o detector
posicionado a 180 do feixe incidente de luz, j a segunda mede a disperso da
radiao num ngulo de 90 do feixe. Um arranjo esquemtico e representado
na figura 2.1.
Figura 2.1 - Representao esquemtica das tcnicas de medio de turbidez
Alm da densidade de matria misturada ao fluido, outras caractersticas
como tamanho e formato das partculas e comprimento de onda da fonte de
radiao afetam a intensidade de radiao medida (MORAIS; RANGEL, 2006).
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O interesse na determinao da turbidez de um fluido est, quase que
exclusivamente, na inferncia da concentrao de partculas em suspenso.
Existe ento, a necessidade de se criar uma correlao entre a turbidez medida
e a concentrao encontrada no meio, o que se torna complicado, visto que no
s a concentrao de matria o que influncia nas medidas turbidimtricas.
No trabalho de Martins, 2012 uma srie de equaes para determinao
da intensidade de radiao transmitida (turbidimetria) apresentada, essas
equaes relacionam a turbidez com a concentrao de suspenso no meio.
Considerando I0 como a intensidade de radiao do emissor de luz que
atravessa uma amostra, a intensidade transmitida I calculada para equao:
(2.1)
Sendo b a distncia percorrida pelo feixe pelo meio analisado e a
turbidez, que se relaciona linearmente concentrao C de partculas no meio,
como pode ser visto na equao:
(2.2)
Alm dessas relaes, o mesmo trabalho descreve a relao entre a
medida da radiao de partculas suspensas devido incidncia de feixe de luz
em determinada angulao (nefelometria) e a concentrao de partculas:
(2.3)
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A constante K est ligada ao instrumento usado para a medida, assim
como s condies experimentais usadas para seu clculo. As equaes
apresentadas levam em considerao um ambiente de teste com caractersticas
definidas e parmetros pr-definidos, por exemplo, a concentrao do lquido,
que deve ser calibrada com uso de amostra padro, no usada nesse projeto.
2.2. Transmisso de sinais
Quando existe o interesse na transmisso de informaes, por meio de
sinais, atravs de algum canal que separa um transmissor do receptor
necessrio que o sinal passe por dois processos diferentes, o primeiro
chamado de modulao no qual o sinal, contido em uma onda portadora, sofre
um deslocamento de frequncia para uma faixa que possibilite a transmisso
pelo emissor ou transmissor, e o outro a demodulao, que restaura o sinal
original pelo processo inverso no receptor.
2.2.1. Modulao por Amplitude de pulso
Nesse tipo de modulao, o sinal portador consiste de um trem de pulsos
retangulares peridicos, onde as amplitudes dos pulsos retangulares variam de
acordo com os valores das amostras do sinal que contem a informao
desejada (HSU, 2003). Essa modulao fornece outro formato da onda em
forma de pulsos que contem a informao presente na onda com as
informaes desejadas. Para a implementao desse tipo de modulao, a
frequncia dos pulsos deve seguir o teorema de Nyquist, ou seja, a frequncia
dos pulsos deve ser maior ou igual a duas vezes a maior frequncia da onda
com as informaes desejadas. Um exemplo de modulao por amplitude depulso pode ser observado na Fig. 2.2
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Figura 2.2 Modulao por amplitude de pulso
2.3. Turbidmetro
2.3.1. Elementos bsicos
Como demonstrado na Figura 2.1, existem dois elementos bsicos na
composio de um Turbidmetro, alm da amostra a ser analisada, esses
elementos, entretanto, precisam ser escolhidas de forma a proporcionar o
melhor resultado de leitura e anlise. Os elementos sero descritos abaixo.
(a) Fonte de luz
Para a aplicao descrita existem dois tipos de fonte de luz: as
policromticas e as monocromticas. As primeiras contem diferentes
comprimentos de ondas, o que pode causar interferncia nas medidas de
turbidez, j que a amostra em questo pode absorver alguns comprimentos de
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onda especficos e reduzir a intensidade de luz dispersa. J as luzes
monocromticas podem ser selecionadas de forma a no ter nenhuma parte de
sua intensidade absorvida, visto que os comprimentos de onda contidos em seu
espectro so bem especficos.
(b) Fotodetector
Uma forma de converter a luz proveniente da interao entre a luz
emitida pela fonte e a matria contida na amostra o uso de fotodetectores,
que transformam a luz recebida em um sinal eltrico.Os tipos de fotodetectores
encontrados so: tubos fotomultiplicadores, fotodiodos de vcuo, fotodiodos de
silcio, fototransistores e fotoresistores de sulfeto de cdmio (Martins, 2012). A
sensibilidade de cada um desses fotodetectores varia, e deve ser levado em
considerao quando no projetos de um turbidmetro.
2.3.2. Modelo alvo
O turbidmetro alvo desse estudo utiliza um modelo de quatro feixes
modulados, apresentado na figura 2.3.
Figura 2.3 Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003)
Esse modelo faz uso de duas medies para obter um resultado livre de
erros. Duas medies acorrem a cada 0.5 segundos, em uma primeira fase, o
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emissor 1 emite um feixe de luz pulsada diretamente at o detector 1, que
mede a luz transmitida, o detector 2, por sua vez, mede a luz dispersada a 90
simultaneamente. Na segunda fase, o emissor 2 emite o feixe de luz pulsada, o
detector 1 mede a luz dispersada a 90 e o emissor 2 mede a luz transmitida. O
algoritmo usa os dados obtidos nas medidas de forma a eliminar os erros nasmedies o que torna o modelo consideravelmente preciso em faixas pequenas
de NTU (Nephelometric Turbidity Units).
Para a implementao desse modelo, so necessrio duas fontes de luz e
dois detectores, a proposta usar dois LEDs como fontes e dois fotodiodos
como detectores. Entretanto, para fins de validao do projeto, levando-se em
considerao o pouco tempo para projeto e prototipagem, o algoritmo do
modelo no ser seguido na ntegra, apenas a leitura do sinal ser feito, o que
por si s valida o circuito a projetado durante esse trabalho.
2.4. Acionamento pulsado de LEDs
Para a modulao por amplitude de pulso, necessrio que um sinal
portador seja gerado como mostrado na seo 2.2. Para a aplicao, o sinal
portador ser um trem de pulsos na forma do acionamento pulsado de um LED.
Para eliminar o offset entre o aparelho e a luz ambiente, um LED
pulsado e a luz medida nos receptores quando e LED est ligado e quando est
desligado. Para esse acionamento podemos usar o PIC 18F4550 em conjunto
com o circuito de dreno de corrente responsvel por alimentar o LED com a
corrente necessrio para a emisso necessrio ao projeto.
2.5. Fotodiodos
Como forma de contornar o problema impreciso do sistema em regies
de baixa turbidez, Garca et al. (2007) sugere o uso de fotodiodos como
fotodetectores ao invs de fototransistores, mais especificamente fotodiodos do
tipo AEPX65 com um pico de recepo em torno de 820nm e uma banda
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espectral mdia de 400nm, visto o comprimento de onda emitido pelo LED
sugerido por Martins (2012) tem aderncia com a recepo do fotodiodo.
Fotodiodos so dispositivos optoeletrnicos que geram eletricidade
quando na presena de luz emitidas em comprimentos de onda entre 300nm e
1100nm, seu comportamento linear e reflete, na corrente, o observvel na
radiao incidente, apesar de seu comportamento de sada ser afetado por
caractersticas externas, como temperatura, na aplicao em questo, esses
tipos de distrbio podem ser desconsiderados.
2.5.1. Condicionamento do Sinal
Na aplicao proposta, usaremos um circuito amplificador, com a inteno
de condicionar o sinal para a converso analgico-digital feita pelo PIC, visto
que o ganho de corrente decorrente da variao de luminosidade incidente
muito pequeno em fotodiodos.
O sinal emitido pelo LED ser modulado pelo lquido analisado e capturado
pelo fotodiodo, o fotodiodo far e converso do sinal luminoso em sinal eltrico
que ser amplificado pelo circuito amplificador, entretanto, o sinal adquirido
precisa ser demodulado para que o sinal original (a turbidez do lquido) seja
obtido. Para isso usa-se um filtro passa-baixa projetado para um sinal de
frequncia muito baixa, a funo de transferncia mostrada na equao 2.4
(Martins, 2012).
() ()
(2.4)
A partir do sinal demodulado passamos a ter a informao necessria
para definio de turbidez, que s pode ser feita a partir de uma curva que
relaciona o sinal obtido pelo fotodiodo e uma escala de turbidez, essas curvas
podem ser observadas nos trabalhos de Garca et al. (2007) e podem ser
usadas, na continuao desse trabalho para futuro desenvolvimento de
equipamento em escala comercial.
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3.Circuitos Propostos
3.1. Acionamento do LED
Existe a necessidade de fazer com que os led sejam pulsados, para que o
sinal portador seja um trem de pulsos, para essa aplicao o circuito
apresentado na figura 3.1 ser usado juntamente com o PIC 18F4550, que
controlar a frequncia dos pulsos.
O circuito apresentado na figura 3.1 apresenta o circuito para o
acionamento do LED, como a proposta usar um LED com alta emisso,
usaremos o componente TSAL6400, que emite a 940nm e, se alimentado com
uma corrente de 1 A, emite numa intensidade de 310 mW/sr. Para o dreno decorrente de 1 A, necessrio o uso do transistor BC868 que consegue conduzir
tal corrente. Para o circuito, o componente crtico para definio da corrente no
LED o resistor R4, para essa definio, alguns testes foram realizados em
simulador virtual, os resultados so apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4 considerando
alimentao de 3.3V.
Resistncia de R4 Corrente no LED1
1 818.77 mA
0.5 1.62 A
0.7 1.16 A
0.8 1.01 A
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Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LEDs (Martins, 2012).
Dessa forma, para que a corrente desejada, existe a necessidade de um
resistor, ou associao e resistores, de 0.8 , parmetro esse, usado no
circuito.
Testes prticos com o circuito montado em protoboard e com
alimentao e 3.3V mostraram que a corrente que passa pelo fotodiodo de
aproximadamente 1A . Durante o processo de concepo do circuito, a
alimentao usada no circuito mudou, o que levou a mudana, tambm, do
valor de R4.
3.2.
Circuito AmplificadorA demodulao de sinais de sensores interferomtricos precedida por
uma etapa de deteco e condicionamento da fotocorrente de sada do sensor
(A. R. Z. Nascimento, 1999). Nesse contexto, o ganho de corrente obtido pelo
fotodiodo proposto para o projeto muito baixo, e para que possamos fazer a
anlise dos sinais obtidos pelo componente necessrio que um circuito
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amplificador seja usado (Analog Devices, High Impedance Sensors), o circuito
apresentado na Figura 3.2 amplamente usado para esse fim, pois amplifica o
sinal com um bom ganho e elimina o problema da corrente de escuro do
fotodiodo.
Figura 3.2 - Amplificador de transimpedncia para a monitorao da fotocorrente
Podemos usar um fotodiodo BPV10NF, compatvel com emissores que
emitem de 870nm a 950nm. Como amplificador operacional sugere-se o uso de
um AD711JNZ. Alm disso, a montagem sugerida composta por RR=100k e
CR=1,8pF, para um ganho de transimpedncia de 105. (A. R. Z. Nascimento,
1999).
Os critrios para a escolha dos fotodiodos foram a gama do comprimento
de onda detectado, o comprimento de onda de mxima sensibilidade, o tempo
de subida e o tempo de descida, e o ngulo de meia sensibilidade.
Com essas informaes o modelo do fotodiodo escolhido foi o BPV10NF do
fabricante Vishay. As caractersticas desse componente, obtidas no datasheet
so mostradas na Tabela 3.2.
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Tabela 3.2 - Parmetros do BPV10NF
ParmetroCondies de
testeSmbolo Valor
Comprimento de Onda 0,5 790 a 1050 nmComprimento de Onda
para mximasensibilidade p 940 nm
Noise Equivalent powerVR= 20V
= 950 mmNEP 3x10-14 W
DetectividadeVR= 20V
= 950 mmD 3x10124 cm
Tempo de subidaVR= 50VRL= 50
= 820 mmtr 2,5 ns
Tempo de descida VR= 50VRL= 50
= 820 mmtf 2,5 ns
Meio ngulo desensibilidade
20
Alm dessas caractersticas, outras pontos importantes desses fotodiodos
so o fato de possurem uma rea sensvel a radiao de 0,78 (mm2) e
possurem ainda um filtro para bloquear a radiao fora da largura de banda
dos 870 nm at aos 950 nm no empacotamento.
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4.Projeto de circuito completo
4.1. Componentes
Como proposto anteriormente no captulo 3, usaremos alguns
componentes sugeridos na bibliografia, j que estes possuem as caractersticas
necessrias para as aplicaes do projeto. A seguir, os componentes sero
expostos com suas funes e caractersticas determinantes para sua escolha.
importante notar que houve mudana em alguns componentes
anteriormente sugeridos j que, para os testes, no eram necessrios
componentes compatveis com montagem em placa de circuito impresso. Nessa
etapa, onde h necessidade de sinal com menos rudo se faz necessria umamontagem que elimina esses erros no sinal.
Entretanto, importante salientar que os componentes mais indicados
para essa finalidade (do tipo smd) so de difcil montagem e exigem
equipamento prprio para essa montagem. Como essa estrutura no
encontrada com facilidade no meio universitrio, alguns componentes usados
na montagem foram mantidos em verses maiores e que no exigiamequipamentos especiais para sua soldagem.
Alguns componentes crticos ao projeto so apresentados na tabela 4.1,
assim como algumas informaes relevantes sobre cada um deles.
Tabela 4.1 - Componentes.
Componente Modelo QuantidadePreo unitrio
[U$]
Preo total
[U$]
Transistor BC868 4 0,51 2,04
Emissor TSAL6400 2 0,55 1,10
Fotodiodo BPV10NF 2 0,99 1,98
AmplificadorOperacional
AD711JRZ 2 3,00 6,00
Controlador PIC18F4550
1 5,36 5,36
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Alm dos componentes exibidos na tabela 4.1 ainda temos de considerar
os componentes acessrios, que compreendem os capacitores e resistores.
Esses componentes so mostrados nos prximos tpicos, que especificam os
circuitos a serem usados no projeto.
Como dito anteriormente, o componentes responsvel pela integrao de
todas as funes do projeto ser o microcontrolador PIC 18F4550, portanto,
importante que esse componente seja descrito com mais detalhes.
4.1.1. PIC 18F4550
O PIC18F4550 um microcontrolador de 8 bits com arquitetura Havard e
conjunto de instrues tipo RISC, possui uma memria interna de 32 Kbytes
para armazenamento do programa residente e 2048 bytes de memria RAM.
Sua tenso de alimentao varia de 4 a 5,5 V e sua frequncia de operao
de at 48MHz, a esta frequncia o PIC capaz de executar at 12 milhes de
instrues por segundo (Miyadaira, 2009).
O microcontrolador possui 40 pinos dos quais 35 podem ser configuradoscomo portas I/O, 13 conversores A/D com 10 bits de resoluo cada e tempo de
amostragem programvel, dois comparadores analgicos, uma comunicao
EUSART, um timer de 8 bits e trs timers de 16 bits cada, um mdulo de
deteco de tenso alta/baixa (HLVD) e um mdulo USB 2.0 com a capacidade
de operar nos modos low-speed (1,5Mbps) ou full-speed (12Mbps) (Miyadaira,
2009). A pinagem do componente pode ser observada na figura 4.1.
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Figura 4.1 Pinos PIC 18F4550
A descrio de cada pino do microcontrolador pode ser encontrada no
datasheet do fabricante (Microchip Technology Inc.). possvel perceber que
devido a grande versatilidade do microcontrolador existem vrios pinos que
desempenham mais de uma funo e portanto, precisam ser programados deacordo com a funo desejada.
Para que os microcontroladores executem as tarefas desejadas
necessrio que ele seja programado. Existem diversas linguagens de
programao as mais comuns em microcontroladores so o assembly, basic e
C.
A linguagem C tornou-se rapidamente uma linguagem popular entre osprogramadores. O C foi usado para desenvolver o sistema operacional UNIX, e
ainda hoje est sendo usada para desenvolver novas linguagens. Para que o
programa fonte seja interpretado pelo microcontrolador necessrio que ele
seja convertido para cdigo de mquina e posteriormente gravado em sua
memria interna, o MPLAB uma plataforma de desenvolvimento fornecida
gratuitamente pela Microchip (www.microchip.com) que tem como funo gerar
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os cdigos que podero ser gravados no microcontrolador PIC. Para a
programao do PIC a ser usado no projeto, o MPLAB ser usado como
plataforma de programao.
Os pinos mais importantes para a aplicao desejada sero descritos
abaixo, entretanto, sua configurao completa ser mostrada posteriormente.
(Microchip Technology Inc.).
a) Pino 1 - MCLR/VPP/RE3
Pino responsvel pelo reset ou Master Clear input. Esse pino ativo em
baixa, ou seja, quando recebe um sinal baixo, reseta o pic. Nas
aplicaes mais comuns, um boto ligado a essa porta, dessa forma,
quando o boto acionado, o pic resetado.
b)Pinos 2 e 3 - RA0/AN0 e RA1/AN1
So pinos de entradas analgicas ou entradas e sadas digitais. No
projeto proposto, como teremos que adquirir 2 sinais analgicos
produzidos pelo fotodiodo, usaremos essas duas portas como entradas
analgicas. Sua configurao definida pela configurao de PORTA.Essa porta faz a converso de analgico para digital, e por se tratar de
um microprocessador de 8 bits, os valores convertidos podem variar de
0 a 255.
c) Pinos 11 e 32 VDD
Alimentao positiva do PIC. No projeto, faremos a alimentao com
+5V.
d)Pinos 12 e 31 VSS
Pino de referncia para o PIC. No projeto, ligaremos esses pinos ao GND.
e) Pinos 13 e 14 OSC1/CLK e OSC2/CLKO/RA6
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O OSC1 a entrada do sinal do cristal oscilador, j o OSC2 a sada do
sinal do cristal oscilador, essas duas portas sero ligadas a um cristal
oscilador para gerao de clock para comunicao USB, que dependem
desse clock para fazerem a comunicao. No nosso caso usaremos um
cristal de 20MHz.
f) Pinos 16 e 17 RC1 e RC2
So Entradas/Sadas digitais, que devem ser programadas pelo PORTC.
No projeto, sero usadas como sadas que controlaro a ligao dos
emissores.
g)Pino 18 VUSB
Regulador da tenso de sada da ligao USB (3.3V).
h)Pinos 23 e 24 D- e D+
So os pinos usados para a comunicao USB.
4.2. Circuitos
4.2.1. Circuito de acionamento do LED
Para o circuito de acionamento do LED usamos um circuito de dreno de
corrente, que possibilite uma corrente de 1 A no LED. Usaremos uma fonte de
5V, o que por simulao nos leva configurao mostrada na figura 4.2.
interessante notar que os valores obtidos levam em considerao o circuito com
entrada vinda do PIC em baixa, ou seja, o transistor posicionado na mesma
linha do LED est conduzindo. No caso em que o sinal do PIC alto, o transistor
na linha do LED no conduz, e o componente fica apagado.
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Figura 4.2 - Circuito acionador do LEDAlm do uso de resistores, se faz necessria a seleo dos transistores a
serem usados na montagem e do emissor propriamente dito. Os componentes
selecionados so apresentados na Tabela 4.2. Nessas tabelas so apresentadas
algumas caractersticas importantes dos componentes.
Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED.
Componente Modelo Caracterstica
Transistor BC868Transistor para altas correntes e comgrande capacidade de dissipao. Consegueconduzir at 2A.
Emissor TSAL6400
Diodo emissor infravermelho que trabalhacom comprimento de onda de 940nm. Almdisso, com uma corrente de 1A, essecomponente emite com intensidade de310mW/sr.
Sinaldo
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Como podemos notar pelas caractersticas dos componentes, necessrio
que uma corrente de 1A alimente o emissor para que obtenhamos mxima
emisso, o que importante por estarmos lidando com um fotodiodo receptor.
A escolha de um resisto de 1,2 torna passvel uma corrente de 1A,
considerando uma alimentao de 5V, entretanto, para que o transistor noseja danificado, ele precisa ser apto a conduzir corrente dessa magnitude,
portanto o uso do transistor proposto resolve esse problema j que esse
componente aguenta correntes de pico de at 2A.
4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo
Como ponto crtico do projeto, o circuito para condicionamento do sinal
recebido pelo fotodiodo precisa, necessariamente, evitar qualquer tipo de rudo,visto que esse sinal ser lido e interpretado na forma de turbidez da amostra. O
circuito projetado apresentado na figura 4.3.
O componente mais importante para a funcionalidade do circuito o
amplificador operacional. Dessa forma, o modelo escolhido foi o AD711. Esse
modelo apresenta boa velocidade e alta preciso, oferecendo alta desempenho
a um preo razovel. O desempenho em relao a rudo excelente (mximorudo de tenso 4V) e a entrada necessria ao componente mnima (2mV).
Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo
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4.2.3. Circuito para controle do dispositivo
A integrao dos dois circuitos feita atravs do projeto do circuito de
controle. Para esse projeto alguns pontos tem que ser levados em
considerao, sendo o principal deles o fato de existir a necessidade de
eliminarmos ao mximo os rudos.
Para tanto, necessrio que a alimentao do PIC e dos Amplificadores
Operacionais passe, antes de chegar a esses componentes, por um filtro passa-
baixa comumente usado para aplicaes eletrnicas. Esse arranjo de
componentes e mostrado na figura 4.4.
Figura 4.4 Filtro para eliminar rudos na alimentao dos componentes
O circuito acionador de LED depende de um sinal do PIC para que
funcione em condies plenas e, como visto anteriormente, esse sinal deve ser
peridico, com 1 pulso a cada segundo em cada LED, sendo que os pulsos de
um LED so separados dos pulsos do outro LED por 0,5 segundos. As portas
selecionadas para essa aplicao foram as dos pinos 16 e 17 (RC1 e RC2) que
sero configurados como sadas digitais.
O circuito de leitura deve estar ligado a uma porta com conversoranalgico-digital, portanto foram escolhidas a portas 2 e 3 (RA0 e RA1) que
devem ser configuradas como entradas e cada fotodiodo usar um canal para
sua converso. Os sinais obtidos nessas portas so convertidos de analgico
(leitura da intensidade da luz) para digital.
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Como citado anteriormente, na sesso 1.3.2, a leitura dever ser feita
pelos fotodiodos a cada 0,5 segundos, ou seja a uma frequncia de 2 Hz. Para
digitalizarmos um sinal analgico, como primeira etapa, necessria a filtragem
anti-aliasing, feita no prprio circuito, que se baseia no teorema de Nyquist.
O Teorema de Nyquist ou teorema da amostragem define que a
quantidade mnima de amostras que deve ser obtida de um sinal analgico a
ser digitalizado deve ser duas vezes a maior frequncia deste sinal, esse
teorema, se aplicado, possibilita a recuperao do sinal digitalizado, j que a
reconstruo do sinal analgico apresentar poucos erros.
Antes do processo de amostragem um filtro passa baixa usado para
atenuar as componentes de alta frequncia do sinal que no so essenciais paraa informao contida nele, dessa forma o sinal amostrado a uma taxa
ligeriramente mais elevada do que a taxa de Nyquist. Evitando o problema de
aliasing que pode ser observado na figura 4.5. (Roger)
Na figura, a frequncia de amostragem (fam) apresentada em 3
situaes diferentes, sendo que a nica situao onde no h perda no sinal a
na qual a fam maior que duas vezes a frequencia do sinal original. No casoem que a amostragem ocorre em frequncia menor que o dobro da frequencia
do sinal, o sinal reconstruido posteriormente apresenta periodo diferente do
original, o que impossibilita a real anlise do sinal analgico.
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Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequncias prximas a duas vezes a frequncia do
sinal.
No caso do projeto do turbidmetro, a frequncia de amostragem 2Hz,portanto a frequncia de corte do filtro a ser includo na sada do circuito
amplificador da leitura do fotodiodo deve ser maior que 4 Hz. Usando a frmula
3.1 abaixo, onde a frequncia de corte, possvel definir os valores de R e
C usados no circuito da figura 4.6 (filtro passa baixa).
(4.1)
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Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing
Com uma resistncia de 25 k e um capacitor de 1,5uF obtemos um filtro
com frequncia de corte igual a 4,25 Hz, o que satisfaz o teorema da
amostragem e, portanto, elimina o problema de aliasing na converso
analgico-digital.
O resultado da integrao dos circuitos apresentados anteriormente pode
ser visto na figura 4.6. Note que a alimentao do PIC precedida pelo filtro
citado anteriormente, o que deve ser feito tambm na alimentao dos
amplificadores operacionais evitando os rudos causados pelos outros
componentes que partilham da fonte. Alm disso, o filtro anti-aliasing projetado
anteriormente includo na sada dos amplificadores operacionais usados naamplificao do sinal lido pelo fotodiodo.
O esquemtico apresentado na figura 4.7 mostra apenas os circuitos
responsveis pelas funes principais do projeto, entretanto ainda necessrio
que circuitos acessrios sejam includos para garantir o funcionamento.
Os circuitos de alimentao 5V, reset do pic e comunicao USB sero
apresentados posteriormente e integrados ao projeto final.
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Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema
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4.2.4. Circuito de reset do PIC
Esse circuito simples tem como funo resetar o pic, assim quando
desejarmos alguma leitura do equipamento, basta apertar esse boto para
obtermos uma resposta. O esquemtico apresentado na figura 4.8.
Figura 4.8 - Circuito para reset
4.2.5. Circuito de alimentao
Como pode ser notado no circuito de controle, a alimentao usada para o
acionamento dos LEDs e bom funcionamento do circuito como um todo foi
definida como 5V, e os componentes do circuito foram escolhidos levando-seem considerao essa definio. Entretanto, muitas vezes, as fontes de
alimentao apresentam rudos e carregam erros que podem refletir em
resultados contaminados nos sinais do circuito. Para evitar esse problema, um
circuito de alimentao foi projetado para fornecer ao circuito os 5V necessrio,
como o mnimo de rudos e erros possveis.
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Nesse circuito usado o regulador de tenso L7805, seu funcionamento
consiste em pegar um sinal de entrada, que pode variar de 6V at 34V, e
manter o sinal de sada fixo em aproximadamente 5V. So usados alguns
capacitores, na entrada e na sada para minimizar ainda mais os rudos. O
circuito pode ser observado na figura 4.9.
Figura 4.9 - Circuito para alimentao de 5V constantes
4.2.6. Comunicao USB com Computador
Para que os dados possam ser analisados, necessrio que o circuito se
comunique com um computador, para tanto, o PIC18f4550 conta com dois
pinos (D- e D+) responsveis pela comunicao USB, alm desses dois pinos,
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outros pinos so usados para o projeto dessa aplicao. Um circuito geral para
comunicao PIC-PC viu USB mostrado na figura 4.10. Esse mesmo circuito
ser incorporado ao projeto esquemtico final que apresentado da figura
4.11.
Como pode ser notado na figura 4.10, existe a necessidade de incluso de
um cristal, que nesse caso ser de 20Mhz, alm disso, nesse esquemtico, no
so consideramos os capacitores que devem ser acoplados ao cristal que, para
essa frequncia, devem ser de 15pF entre VDD e Ground.
Figura 4.10 - Circuito para comunicao USB geral (Pictronics.com, Acessado em
02/10/2013)
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Figura 4.11 - Esquemtico final
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4.3. Testes
Para validar parte do projeto, o circuito de acionamento do emissor foi
montado em uma protoboard e testado de forma experimental. O emissor foi
acionado com 1 A para mxima emisso e o fotodiodo teve sua sada medida
para verificar se a leitura estava sendo feita. Nessa etapa no foi feita
converso analgico digital pois no existia necessidade de interpretao da
leitura, apenas de verificao se esta estava sendo feita.
Para fins de teste, em uma sala escura, o emissor foi posicionado a
diferentes distncias do fotodiodo, sem nenhum obstculo, para cada distncia,
a sada do fotodiodo foi medida.
Os fotodiodos precisam de algum circuito de aquisio, caso contrrio,
no servem aos seus objetivos, j que os valores de corrente gerados so muito
baixos. Para o projeto esse problema foi resolvido com um circuito amplificador,
entretanto, para esse teste em protoboard, outro circuito foi usado, apenas
para verificar o comportamento do fotodiodo, o circuito sugerido pelo prprio
datasheet do componente e mostrado na figura 4.12.
Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo
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Abaixo, na tabela 4.3, so exibidas as leituras do voltmetro para
diferentes distncias do emissor. E um grfico desse comportamento na Figura
4.13.
Tabela 4.3 - Tenses de sada do fotodiodo
Distncia Tenso
1 cm 4,7V
2 cm 3,8V
3 cm 3,1V
4 cm 2,4V
5 cm 1,2V
6 cm 0,7V
7 cm 0,7V
8 cm 0,3V
9 cm 0,2V
Figura 4.13 - Comportamento da tenso em relao distancia do emissor
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Podemos notar que, caso o teste fosse feito em ambiente iluminada, o
fotodiodo saturaria rapidamente, j que a intensidade luminosa do emissor
somada a luminosidade ambiente levaria o fotodiodo a tenso mxima de
resposta, rapidamente.
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5.Projeto
5.1. Projeto de circuito impresso
O projeto do circuito impresso extremamente importante, pois ele
essencial para o bom resultado do projeto. Para esse projeto, ser utilizado o
mesmo software usado para o projeto dos circuitos esquemticos apresentados
anteriormente, o EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE. A seguir, sero mostrados os
passos para o desenvolvimento do circuito impresso. Partimos do esquemtico
apresentado na figura 5.10, o qual o software transporta para o ambiente de
desenvolvimento de layout de circuitos impressos. Nesse ambiente, torna-se
necessrio que os componentes sejam organizados espacialmente e as ligaes
entre os mesmos seja feita de forma a no prejudicar os resultados esperados.
5.1.1. Layout
Como foi dito anteriormente o software usado para o projeto faz,
automaticamente, o transporte dos componentes do ambiente esquemtico,
mostrado na figura 4.10 para o ambiente de projeto de placa impressa. Essa
mudana de ambientes leva, do ambiente anterior, apenas os componentes(nas dimenses corretas) e a ligao virtual entre eles, ou seja, os pinos dos
componentes que recebero o mesmo sinal estaro ligados por uma linha,
entretanto essa ligao no representa nada fsico, apenas uma relao de
sinais. As ligaes fsicas, ou trilhas, devem ser projetadas manualmente, assim
como a disposio dos componentes na placa.
Nesse sentido, interessante lembrar que as trilhas dos circuitos podem
ser projetadas nas duas camadas de cobre, a superior (onde os componentes
estaro) ou a inferior. A ligao entre as trilhas na camada superior e inferior
feita atravs de furos na placa. A vantagem do projeto nas duas camadas est
no fato de que as trilhas que, se estivessem na mesma camada se cruzariam,
no se cruzam quando em camadas diferentes, porque esto separadas por um
material isolante.
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Outro fator importante a definio da espessura da trilha, esse quesito
impacta diretamente no processo de confeco da placa impressa, como o
processo usado nesse projeto ser manual, importante que a espessura das
trilhas seja um pouco maior, no nosso caso, as trilhas foram projetadas com
0.81 mm. (Mecatrnica Fcil, 2005)
Como a verso do programa EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE fornecida
para estudantes no a verso completa, existe um limite no tamanho da placa
que foi respeitado no projeto em questo. As figuras 5.1 e 5.2 mostram o
layout do circuito, a primeira representa a camada superior, e a segunda, a
camada inferior.
Figura 5.1 - Topografia da camada superior
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Figura 5.2 - Topografia da camada inferior
Figura 5.3 - Topografia completa
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5.1.2. Mtodo para confeco
Por se tratar de um prottipo de equipamento, definiu-se que o circuito
ser feito manualmente, pela falta de equipamento de impresso de circuitos e
pelo elevado custo da contratao de empresas para fazerem esse servio.
importante notar que, esse custo, em um processo escalonado e de grande
volume de produo acaba sendo diludo, o que no ocorre em produo
unitria, como o caso desse projeto.
Para o projeto usamos placas de fenolite, recobertas por filmes de cobre,
essas placas so a base para o circuito, trata-se, basicamente, de placas de
fenolite (existem ainda placas de fibra de vidro ou outro polmero), com as duas
faces cobertas por uma fina camada de cobre, um esquemtico mostrado nafigura 5.4. O substrato de fenolite existe para isolar as duas faces do cobre,
impedindo que haja interferncia entre os sinais transmitidos em cada uma
delas.
Figura 5.4 - Esquemtico de placa de cobre genrica
Esse material ser usado para a confeco do produto, atravs de um
processo de corroso do cobre, nas reas onde ele no necessrio,
responsvel pela formao das trilhas de comunicao entre os componentes do
circuito. Como primeira etapa, necessrio transportar, para a placa, o
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desenho do circuito a ser impresso na placa, essa transferncia feita atravs
de um processo trmico de transferncia de tonner.
O circuito impresso em papel do tipo transparncia (usado em
retroprojetores), essa impresso deve ser feita em impressoras a laser. Aps
essa impresso, o papel deve ser colocado sobre a placa e aquecido. Esse
processo permite que o tonner sofra o processo de fundio o que permite ao
tonner aderir ao cobre formando uma mscara do que, futuramente, ser o
circuito impresso. A placa com essas mscaras so mostradas nas figuras 5.5 e
5.6.
Essa placa imersa em percloreto de ferro, responsvel pela corroso do
cobre apenas nas regies no protegidas pela mscara, o processo duraaproximadamente 15 min e culmina em uma placa de fenolite com as trilhas do
circuito em cobre que so recobertas por estanho para facilitar a montagem dos
componentes.
A etapa final da preparao da placa envolve a furao, responsvel pela
comunicao entre as duas faces da placa e pela montagem de componentes
que necessitam de furos para serem montados. Aps a furao, a placa estpronta para montagem dos componentes. A placa completa mostrada na
figura 5.7. Antes da utilizao da placa, as ligaes foram conferidas para
garantir que todas as comunicaes de sinais estivessem ocorrendo
corretamente, inclusive as comunicaes entre as faces, que exigem a aplicao
de estanho nos furos.
Como pode ser notado na figura 5.7, os emissores e receptores do
sistema no esto montados na placa, pois devero ser montados em outra
estrutura e ligados placa por fios.
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Figura 5.5 - Placa com mscara de tonner - Camada superior
Figura 5.6 - Placa com mscara de tonner - Camada inferior
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Figura 5.7 - Circuito montado com componentes
5.2. Projeto da cmara escura
Como forma de obter o melhor resultado da leitura de luminosidade
usado para aferimento da turbidez, necessrio a leitura seja feita em
ambiente com a menor interferncia possvel do meio externo, para isso, uma
cmara escura foi idealizada essa cmara consiste basicamente de uma caixa
com 4 furos (1 em cada face lateral) e uma tampa. Os emissores e receptores
sero acoplados nesses furos, sendo que cada emissor se localizada em posio
diametralmente oposta ao respectivo receptor.
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O esquemtico da cmara mostrado na Figura 5.8. Trata-se de um
cuba de 5 cm de arestas com furos de 0,5 cm (mesmo dimetro do fotodiodo e
led IR). A amostra ser inserida na cmara em um vasilhame de plstico
transparente com 2 cm de dimetro e 4 cm de altura.
Figura 5.8 - Esquemtico da cmara escura
importante salientar que as paredes internas da cmara sero
recobertas por papel fosco preto, o que diminui a influncia do ambiente nos
resultados das leituras. A amostra a ser analisada estar contida um pequeno
vidro transparente localizado centro exato da face inferior do cubo e pequena
distncia dos emissores e receptores.
A figura 5.9 mostra a cmara pronta j com os fotodiodos e LEDs IR
acoplados e ligados ao circuito do projeto.
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Figura 5.9 - Cmara escura pronta
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5.3. Programao
Como j foi descrito anteriormente, a maioria dos pinos do PIC 18F4550
apresenta mais de uma funo e, portanto, precisam ser configurados para que
cumpram a funo determinada pelo projeto. Para tanto ser exibido a seguir a
definio das funes dos registradores relativos aos pinos usados no projeto.
5.3.1. Configurao
necessrio definir, logo no incio do programa quais bibliotecas sero
usados no programa a ser carregado no PIC, como sero usadas poucas
funes do PIC, apenas poucas bibliotecas sero usadas. As bibliotecas usadas
para a inicializao so:
#include
#include
Para a configurao inicial do programa preciso escolher as variveis
de inicializao. Como fazemos uso do conversor analgico-digital, preciso
definir que as portas usadas posteriormente trabalharo com esse tipo de sinal.
Para esse caso configuraremos ADCON1, que define os tipos dos sinaisrecebidos pelas portas AN0 a AN12. Para tanto, usaremos os valores obtidos
pelo datasheet e mostrados na figura 5.10.
Como faremos uso das portas AN0 e AN1 como entradas analgicas para
os fotodiodos precisamos que o ADCON1 seja configurado como 0b00001101,
como mostrado na figura 5.10.
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Figura 5.10 - Configurao do ADCON1
a) PORTA
Para a configurao desses registradores, preciso configurar o TRISA,
que define as funes de PORTA, essa configurao deve ser feita de acordo
com a tabela mostrada na figura 5.11.
Para definirmos que as portas RA0 e RA1 trabalharo como entradas
analgicas, ou seja AN0 e AN1, precisamos definir que TRISA0 e TRISA1 como
1. Nessa mesma porta, ainda precisamos configurar o RA6 que ser usado para
configurao da leitura USB. Nesse caso usaremos o TRISA6 que ser
configurado como OSC2, recebendo o valor 0. Temos, portanto o seguinte valor
para TRISA: 0b00000011.
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Figura 5.11 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA
b)PORTC
Assim como na configurao do PORTA, precisamos configurar o PORTC
atravs das definies de TRISC com as funes desejadas para cada um dosbits de PORTA, para esse registrador usaremos os bits RC1 e RC2 como sadas
digitais e, RC4 e RC5 para a comunicaes USB. A tabela para essa porta
mostrada na figura 5.12.
Como pode ser notado na figura, a configurao para TRISC
0b00000000, pois estamos tratando de sadas digitais.
Figura 5.12 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA
Dessa forma, para a configurao inicial do PIC, temos a seguinte
configurao:
ADCON1 = 0b00001101;
TRISA = 0b00000011;
TRISC = 0b00000000;
TRISB = 0b00000000;
TRISD = 0b00000000;
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TRISE = 0b00000000;
Alm disso necessrio zerar todos os registradores usados durante o
programa para que no ocorra nenhum tipo de erro por dados residuais. Ento
ainda na inicializao temos os seguintes definies.
PORTA = 0b00000000;
PORTB = 0b00000000;
PORTC = 0b00000110;
PORTD = 0b00000000;
PORTE = 0b00000000;
Como pode ser notado, o PORTC tem o RC1 e o RC2 inicializados em 1,j que, como dito na sesso 4.2.1, para que o LED fique apagado, precisamos
que esse sinal esteja alto.
Durante a comunicao com USB, ser usado um software IHM capaz de
configurar durante as leituras os valores das sadas digitais, portanto o que
mais importante nessa etapa de configurao so as definies das funes das
portas, visto que durante a aquisio dos sinais via USB existir a possibilidade
de configurarmos os valores das sadas, mas no a funo que ela exercer.
5.3.2. Comunicao USB com PC
Para que possamos adquirir o sinal no fotodiodo, um software para
comunicao USB com PIC18f4550 de cdigo aberto foi usado. Atravs da
comunicao, o programa capaz de se comunicao com o PIC e controlar as
portas de sadas digitais e monitorar as entradas (analgicas e digitais), bastaque o PIC esteja programado com suas configuraes iniciais. A IHM do
programa bastante atraente e se mostra como a melhor opo para os testes
a serem feitos no projeto. J que possibilita o controle tantos das sadas do PIC
quanto a monitoramento das entradas de uma maneira rpida e prtica. A
figura 5.13 mostra a IHM do programa, que programado em C++.
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O software faz todas as leituras de entradas analgicas, mesmo que os
canais no estejam ligados, no caso do presente projeto, apenas os canais 0 e
1 fazem medidas. O programa apresenta as leituras em 8bits, portanto, os dois
bits menos significativos da leitura so desconsiderados, o que, na prtica, no
prejudica muito os resultados.
Alm disso, o software considera o tempo para aquisio do sinal, j que
existe a necessidade
Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID
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O software utiliza a mesma montagem de hardware sugerida na seo
4.2.6, portanto no implicou na modificao do circuito de comunicao USB. E
pde ser usado com xito durante os testes.
Abaixo, para ilustrar como a aquisio e envio do dado por USB feita,
esto transcritas as funes usadas pelo software em questo. Nesse caso,
somente as leituras dos canais 0 e 1 so feitas.
SET_ADC_CHANNEL(0);
DELAY_US(10);
VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);
ENVIA[8]=VALOR_ADC;
SET_ADC_CHANNEL(1);
DELAY_US(10);
VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);
ENVIA[9]=VALOR_ADC;
Uma nica adaptao no software precisou ser feita, como o software
usado para configurao dos pwms que esto localizados em RC1 e RC2, e as
sadas digitais configuradas pelo software so as sadas de PORTB, foi
necessrio mudar, apenas no cdigo (no na interface), que as portas a serem
usadas como sadas sero RC1 e RC2 e que os pwms no sero controlados
pela IHM.
5.4. Projeto completo
Para as medidas de recepo do fotodiodo, a estrutura mostrada na
figura 5.14 foi montada. Para que no houvesse nenhuma interferncia nocircuito, a base do circuito no foi colocada em contato com nenhuma
superfcie. O PIC foi programado com as definies iniciais do cdigo mostradas
anteriormente com um lao infinito, e o circuito foi conectado ao Computador
pelo cabo USB.
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Figura 5.14 - Estrutura completa montada
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6.Resultados
Para verificar se o circuito seria adaptvel para um turbidmetro
comercial de baixo custo foram usadas 12 amostras com concentraes
diferentes de caf. Para tanto, uma amostra padro (aqui considerada deconcentrao 100% em volume) foi diluda em gua para conseguirmos as
outras amostras. As concentraes em volume de caf usadas nas amostras so
mostradas na tabela 6.1 e um exemplo de amostra apresentado na figura 6.1.
Tabela 6.1 - Concentrao das amostras
Amostra Concentrao em Volume1 100%
2 90%3 80%4 70%5 60%6 50%7 40%8 30%9 20%
10 10%
11 5%12 2,5%13 Recipiente vazio
Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentraes: 100%, 70%, 30%, 0%)
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Com o fim de parametrizar os resultados, uma medida do sinal do
fotodiodo para o recipiente vazio foi feita. Os resultados, j convertidos para
nmeros decimais so apresentados na tabela 6.2. Esses valores foram
representados em um grfico mostrado na figura 6.2.
Alm disso, os valores so uma mdia de 5 medidas por sensor para as
mesmas amostras, o desvio padro para cada valor mostrado na tabela e no
grfico.
Tabela 6.2 - Mdias e desvio padro das leituras dos fotodiodos
Amostra Leitura Desvio Padro1 17 72 24 7,8
3 28 84 35 195 42 17,26 55 197 65 58 71 99 75 19
10 81 8,711 86 24,312 85 2813 111 31
Com o uso das equaes 2.1 e 2.2 apresentadas no captulo 2, o clculo
de intensidade de radiao transmitida (I) (turbidimetria) foi feito e
apresentado na tabela 6.3. e no grfico da figura 6.3.
Tabela 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico
Amostra Concentrao considerada (C) Radiao transmitida (I)1 0,6 0,3083892 0,54 0,308553 0,48 0,308714 0,42 0,3088715 0,36 0,3090326 0,3 0,3091937 0,24 0,309355
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8 0,18 0,3095169 0,12 0,30967710 0,06 0,30983911 0,03 0,30991912 0,015 0,30996
13 0 0,31
Para os clculos de I foram consideradas concentrao aproximadas,
visto que as amostras no foram preparadas usando-se kits de calibrao
usuais. Alm disso, os seguintes valores foram usados nos clculos:
Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos
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Figura 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico
Podemos notar pelos resultados que as leituras apresentam uma sria
instabilidade, visto que os desvios padres calculados para cada amostra so
altos para essa aplicao. A intensidade de radiao transmitida tem ocomportamento esperado terico, que acompanha o comportamento da leitura
obtida, j que quanto maior a concentrao das amostras, menor ser a luz
transmitida.
Alm disso, podemos notar que para alguns casos, a diferena entre as
leituras no apurada o suficiente para levar a concluses assertivas, dessa
forma, algumas caractersticas do projeto devem ser revistas para que o
objetivo final (fazer leituras de turbidez com alta acurcia) seja cumprido. Esses
pontos sero discutidos no captulo de concluses.
Nas amostras de pouca concentrao, podemos verificar que o desvio
padro alto, o que pode ser justificado por variveis de leitura (como reflexo
do recipiente da amostra, falhas na cmara escura, arredondamento feito pelo
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software, etc) em conjunto com rudos do circuito que, apesar de serem
evitados em sua maioria pelo projeto, ainda esto presentes neste.
Apesar da falta de acurcia, podemos notar que o circuito foi capaz de
medir a luminosidade modulada pela amostra, como visto na figura 6.1 e que o
uso de fotodiodos em conjunto com amplificadores operacionais possvel para
a aplicao sugerida. Entretanto no foi possvel confirmar a melhor
sensibilidade sugerida por Garca, 2007, visto que outras variveis podem ter
sido causadoras dos erros de medida.
O comportamento linear das leituras mostra que com os devidos ajustes,
o circuito pode representar uma tima opo como ferramenta para aferimento
de turbidez de lquidos.
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7.Concluses e perspectivas
Como pudemos notar com os resultados, o projeto apresentado
demonstrou que o circuito projetado pode ser usado para aquisio do sinal lido
por fotodiodo acoplado a circuito amplificador, entretanto, para usos comerciais,que exigem leituras muito mais acuradas, necessrio que modificaes no
projeto sejam feitas. A maioria das modificaes est ligada eliminao de
rudo e interferncias externas. Para tanto, necessria a reviso do mtodo de
manufatura do circuito, o uso de impressoras de circuito impresso seriam as
melhores opes j que o mtodo de corroso usado pode levar a
inconsistncias no resultado final.
Para projetos futuros, seria importante que o layout do circuito fosse
refeito de modo e separar o circuito em duas partes independentes com
aterraes distintas, uma parte digital, que incluiria os circuitos de emisso e
comunicao USB, e uma parte analgica contendo os circuitos de aquisio do
sinal pelo fotodiodo. Essa separao eliminaria a interferncias dos sinais entre
si, diminuindo o erro nos sinais lidos. Outro fator importante a substituio
dos componentes usados por modelos SMD, menores e menos sujeitos a rudos.
O que demandaria uma montagem tambm maquinizada devido ao tamanho
das pernas dos componentes. Os fatores externos, como o ambiente de leitura
dos fotodiodos poderia ser compensado por calibrao do software de acordo
com parmetros a serem definidos juntamente com o layout do produto final.
A introduo do projeto no mercado exige ainda, a criao de uma IHM
embarcada para leitura dos valores de turbidez, assim como aplicao do
algoritmo para o tratamento do dado lido pelo fotodiodo at chegar ao valor de
turbidez nos moldes definidos por sistemas de medida. Outro ponto importante
e que deve ser levado em considerao antes da adaptao do produto ao
mercado a busca de anterioridades, evitando a infrao de patentes de
terceiros visto que esse campo de estudo bastante explorado mundialmente.
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8.Bibliografia
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