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TFG de um ohmímetro digital microcontrolado para baixas resistências - Microohmímetro - TFG Engenharia Elétrica Josué Uniderp 2011.
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UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP
ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM ELETRÔNICA
TRABALHO FINAL DE GRADUAÇÃO II
JOSUÉ MIRANDA DA SILVA RA: 45262
OHMÍMETRO MICROCONTROLADO PARA BAIXAS
RESISTÊNCIAS
Campo Grande – MS
2010
UNIVERSIDADE ANHANGUERA UNIDERP
ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM ELETRÔNICA
OHMÍMETRO MICROCONTROLADO PARA BAIXAS
RESISTÊNCIAS
Projeto final de TFG-II apresentado como
exigência parcial para obtenção do título de
Engenheiro Eletricista à Universidade
Anhanguera Uniderp, na área de
concentração de Eletrônica Digital sob a
orientação do Professor Mestre Marco
Antônio de Arruda Cortez.
JOSUÉ MIRANDA DA SILVA RA: 45262
Campo Grande – MS, Dezembro de 2010
Monografia defendida e aprovada em 07 de Dezembro de 2010, pela banca
examinadora constituída pelos professores:
______________________________________
Me Marco Antônio de Arruda Cortez- Orientador
______________________________________
Me Irineu Cássio Gudin – Examinador
______________________________________
Me Daniela L. Catelan Carneiro – Examinadora
DEDICATÓRIA
A minha querida mulher Renata, aos meus Pais e Irmãos.
.
“A qualidade do vencedor é
nunca desistir, pois na
determinação tudo passa a ser
possível”
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, por tudo aquilo que eu tenho conquistado,
não por mim, mas pelo seu infinito amor e misericórdia.
Agradeço também a minha mulher Renata, por ter estado sempre ao meu
lado, aos meus pais Raimundo e Norimar, que me ensinaram a ser quem eu sou
hoje, a toda minha família e amigos por terem estado caminhando comigo nesta
jornada que foi a graduação.
Agradeço aos meus amigos da Universidade, por terem me proporcionado
experiências inesquecíveis.
Agradeço ao meu professor Me Marco Antônio por ter me apoiado e me
ajudado nesta conquista. Agradeço ao professor Jonas e ao Eliomar, por terem me
apresentado ao mundo dos microcontroladores Freescale.
RESUMO
A princípio, a ponte de queda de tensão é um resumo da ponte de Kelvin,
mas o seu uso nem sempre é automatizado, por isso, utiliza-se multímetros para
realizar a medição e o calculo é feito manualmente para se obter a resistência a ser
medida.
Foi projetado um dispositivo capaz de realizar a medição das tensões que
envolvem a ponte de Kelvin, e realizar os cálculos automaticamente, possuindo
circuitos de amplificação e filtragem capaz de reduzir as interferências na medição, o
resultado do valor da resistência é mostrado em um display, juntamente com os
outros valores de tensões, mantendo a originalidade do circuito e do funcionamento.
Uma ponte de queda de tensão é um instrumento analógico, que
normalmente requer um multímetro para suas medições, uma ponte de queda de
tensão digital microcontrolada deve ter um circuito capaz de substituir o uso do
multímetro, realizando a medição e o calculo para se obter o valor da resistência que
se deseja medir.
1
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Ponte de Queda de Tensão .............. ...................................................06
Figura 2 – Queda de tensão V1..................... .........................................................07
Figura 3 – Método medição 4 Wire Kelvin........... .................................................08
Figura 4 – Queda de tensão V2 .................... .........................................................08
Figura 5 – Diagrama de Blocos .................... .........................................................16
Figura 6 – Filtro ................................ .......................................................................19
Figura 7 – AOI.................................... ......................................................................22
Figura 8 – Sinal sem filtro....................... ................................................................25
Figura 9 – Filtro passa alta...................... .............................................................. 26
Figura 10–Sinal com filtro ........................ ...............................................................26
Figura 11 – AOI com 3 AO Single Supply............. ..................................................27
Figura 12 – Saturação do ruído .................... ..........................................................29
Figura 13 – Fluxograma ............................ ..............................................................33
Figura 14 – Diagrama eletrônico.................... .........................................................39
Figura 15 – Foto do conjunto completo de medição... .........................................40
2
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ADC.....................ANALOG DIGITAL CONVERTER ( CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL)
IDE .................................INTEGRATED DEVELOPMENT ENVIRONMENT ( AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO INTEGRADO)
CISC.......................................................... COMPLEX INSTRUCTION SISTEM COMPUTER
RISC..........................................................REDUZIDE INSTRUCTION SISTEM COMPUTER
AOI ............................................ AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTRUMENTAÇÃO
AO ............................................ AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTRUMENTAÇÃO
RAM ........................................................................................ RANDOM ACCESS MEMORY
LCD ............................................................................................ LIQUID CRYSTAL DISPLAY
3
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO................................................................................................................................................4
1. OBJETIVOS ...........................................................................................................................................5
2. TEORIA DA PONTE DE QUEDA DE TENSÃO ..................................................................................6
2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DA PONTE............................................................................ 7 2.2. MÉTODO DE CALCULO .................................................................................................................. 10
3. O OHMÍMETRO DIGITAL PROPOSTO .............................................................................................12
4. DEFINIÇÃO MICROCONTROLADOR A SER UTILIZADO .............................................................13
4.1. COMPARAÇÃO ENTRE OS FABRICANTES ............................................................................... 13 4.2. FREESCALE HCS08 ........................................................................................................................ 14
5. DIAGRAMA DE BLOCOS ..................................................................................................................16
6. PRINCIPIO DE OPERAÇÃO DO FILTRO PASSIVO .......................................................................19
7. AMPLIFICAÇÃO DO SINAL ...............................................................................................................21
7.1. TIPOS DE AJUSTE DE GANHO ..................................................................................................... 22 7.2. ALIMENTAÇÃO ................................................................................................................................. 23
8. ENSAIOS EXPERIMENTAIS ..............................................................................................................25
8.1. FILTRO PASSA BAIXA .................................................................................................................... 25 8.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTUMENTAÇÃO SINGLE SUPPLY ........................ 27 8.3. CONVERSOR A/D DO MICROCONTROLADOR ........................................................................ 28
9. CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAIS ...........................................................................................29
9.1. FILTRAGEM DO SINAL ......................................................................................................................... 29 9.2. AMPLIFICAÇÃO E ATENUAÇÃO DO SINAL ..................................................................................... 30 9.3. CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAIS EM PARALELO............................................................ 31
10. FLUXOGRAMA ......................................................................................................................................33
11 CONCLUSÃO ..........................................................................................................................................36
12. BIBLIOGRAFIA BÁSICA ......................................................................................................................37
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................................38
14. APÊNDICES ...........................................................................................................................................39
14.1 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO. ............................................................................................................. 39 14.2 FOTO DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO. ................................................................................ 40 14.3 CÓDIGO DE PROGRAMAÇÃO C ANSI............................................................................................. 41
15. ANEXOS .................................................................................................................................................45
15.1 DATASHEET MICROCONTROLADOR MC9S08JM60 ................................................................... 45 15.2 DATASHEET AMPLIFICADOR INA327 ............................................................................................. 50
16 . INDICAÇÕES DE RESPONSABILIDADE ......................................................................................52
4
INTRODUÇÃO
Um ohmímetro é um equipamento muito versátil na área de manutenção de
equipamentos elétricos, com ele é possível realizar a medição de resistências de
contato, isolação, malha de aterramento, enrolamento, etc., dependendo das
escalas que o instrumento possui.
Para medição de isolação, um instrumento deve possuir escalas superiores a
500 MΩ, para medição de resistência de contato, deve medir valores abaixo de
100mΩ, para medir resistência de enrolamento o instrumento deve estar na faixa de
100mΩ a 2kΩ, assim, para cada finalidade, existe um instrumento com
características específicas.
Como o funcionamento de cada instrumento é diferente, dependendo seu sua
aplicação, é atualmente inviável agregar todas as características em um único
instrumento, por exemplo, um ohmímetro destinado a medição de resistência de
aterramento chamado Terrômetro, utiliza tensões alternadas da faixa de 30 a
600VAC a aproximadamente 1.400 Hz, já um ohmímetro destinado a resistência de
enrolamento, deve obrigatoriamente utilizar tensões continuas abaixo de 24VDC
dependendo da resistência a ser testada.
Uma ponte de queda de tensão é um instrumento analógico, que
normalmente requer um multímetro para suas medições, uma ponte de queda de
tensão digital microcontrolada, deve ter um circuito capaz de substituir o uso do
multímetro, realizando a medição e o calculo para se obter o valor da resistência que
se deseja medir.
5
1. OBJETIVOS
Projeto e implementação de um instrumento eletrônico, capaz de realizar a
medição de resistência ôhmica em enrolamentos de transformadores, contatos de
disjuntores e chaves, malhas de aterramento e outros, através do circuito da ponte
de queda de tensão, tendo como base a medição de queda de tensão na resistência
e queda de tensão em Shunt Padrão.
6
2. TEORIA DA PONTE DE QUEDA DE TENSÃO
A Ponte de queda de tensão é um circuito de medição simples e elementar,
assim como outros tipos de pontes como a Ponte de Wetstone e Ponte de Kelvin,
mas seu funcionamento é muito mais simples, porém, requer duas medições, uma
da queda de tensão da resistência padrão, e outra da queda de tensão na
resistência a ser medida, isso pode ser observado na Figura 1.
Figura 1 – Ponte de Queda de Tensão.
Como este ohmímetro é utilizado normalmente para medição de baixas
resistências, incluindo a resistência de enrolamentos de transformadores, o mesmo
utiliza corrente continua para o funcionamento , para que não seja considerada a
parte complexa da impedância, sendo medida apenas a parte real, correspondendo
à resistência de enrolamento.
Grampo sargento +
Grampo sargento -
R1
1.2RResistor Limitador Corrente
B112VBateria 12V para Ensaio
R2
1mRShunt
SW1
Chave Liga/Desliga
+88.8Volts
SW2
Chave seleçao voltímetro
7
2.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DA PONTE
Seu funcionamento é muito simples, e deriva da 1ª lei de Ohm onde:
A queda de tensão de uma resistência é proporcional ao produto da sua
resistência pela corrente elétrica que a percorre, conforme mostra a equação 1.
Sendo assim, conhecendo a queda de tensão, e a corrente elétrica, é possível se
calcular a resistência elétrica de um dispositivo. Tal procedimento pode ser realizado
conforme a figura 2.
Equação 1.
Figura 2 – Queda de Tensão V1.
A queda de tensão da resistência pode ser obtida com a medição direta da
tensão na resistência, desconsiderando assim qualquer influencia da queda de
tensão dos cabos que levam a corrente até a resistência, isso é muito útil,
principalmente quando se realiza medições de resistências muito baixas, onde se
utilizam correntes acima de 1A. Este método é comumente chamado de método de
4 cabos (no inglês 4 wire Kelvin) e pode ser observado através da figura 3.
B212VBateria de teste R3
100RResistor de teste
+88.8Amps
+88.8Volts
IRV .=
8
+88.
8V
olts
R4
100RResistor de teste
Figura 3 – Método medição 4 Wire Kelvin.
Assim, para continuar a medição, precisa-se do valor da corrente elétrica,
exposto na figura 2, o amperímetro esta ligado em série no circuito, isso gera vários
de fatores negativos, como a necessidade de um amperímetro de baixa impedância,
a fragilidade destes amperímetros em relação a sobrecargas, e principalmente, ao
fato de que normalmente os amperímetros não trabalham automaticamente entre
escalas de 1ma e 10A.
Baseado nisso, pode-se optar pela solução mais simples, que é a utilização
da própria lei de Ohm para medição de corrente, sendo:
A corrente elétrica que circula em um dispositivo ôhmico, é obtida através da
queda de tensão desta resistência dividida pelo valor da resistência elétrica. Este
efeito é observado na Figura 4.
Figura 4 – Queda de Tensão V2.
9
A resistência de referência neste caso deve ser uma resistência de precisão,
com baixa variação em relação à temperatura, e baixa impedância, tal dispositivo é
chamado de shunt, e pode ser adquirido comercialmente pela especificação do valor
resistivo, ou pela especificação dos valores de relação entre a corrente máxima
suportada, e a queda de tensão nominal.
A queda de tensão no shunt é proporcional a corrente que a percorre. Como o
valor da resistência é fixa, podemos determinar a corrente apenas realizando a
medição da queda de tensão, sabendo os valores de corrente e tensão nominal.
Pode-se obter a corrente através da formula a seguir, utilizando a resistência
do shunt.
Equação 2.
A resistência do shunt pode ser obtida através dos seus valores padrões de
fabrica, sendo a sua corrente nominal e queda de tensão nominal.
Equação 3.
Substituindo Rs na equação 2, tem-se a seguinte equação característica de
medição de corrente através de shunt.
Equação 4.
Rs
VI =
Is
EsRs =
Vs
IsVI
.=
10
2.2. MÉTODO DE CALCULO
Com o calculo da corrente, agora é analisado novamente o circuito elementar
da Ponte descrito na figura 1, observando que o circuito é na verdade a junção do
circuito da figura 4 e o circuito da figura 2, onde se pode realizar a medição da
queda de tensão na resistência, e a queda de tensão no shunt, há também uma
resistência limitadora de corrente, para o caso da medição em resistência abaixo de
1,2Ω, onde poderia haver uma corrente acima de 10A, esta resistência limita a
corrente do circuito a 10A.
Manipulando as formulas anteriores, obtêm-se:
Equação 5.
Equação da resistência a ser obtida.
Equação 6.
Equaçao da corrente baseada na queda de tensão do shunt.
Equação 7.
Equaçao 6 substituida na equação 5 resulta na resistencia a ser obtida.
Equação 8.
Equação 7 pode ser reescrita isolando os fatores do shunt.
Equação 9.
Resultando na equação geral para obtenção da resistencia eletrica baseada na queda de tensao na resistencia e no Shunt, onde há uma cosntante K.
Es
IsVI
.2=
).2
(
1
Es
IsVV
R =
I
VR 1=
Is
Es
V
VR .
2
1=
KV
VR .
2
1=
11
Equação 10.
Equação caracteristica do shunt obtida atraves da sua resistencia eletrica.
R = Resistência a ser medida e calculada.
V1 = Queda de tensão na resistencia.
V2 = Queda de Tensão no Shunt.
Is = Corrente nominal do Shunt.
Es = Tensao Nominal do Shunt.
K = Constante caracteristica do Shunt.
Is
EsK =
12
3. O OHMÍMETRO DIGITAL PROPOSTO
O ohmímetro digital proposto substituirá o sistema de medição das quedas de
tensão no shunt e na resistência, preservando as características de funcionamento
do dispositivo atual.
O dispositivo deve contemplar uma etapa de filtragem dos sinais de entrada,
atenuando ondulações nas freqüências a partir de 25 Hz, tendo em vista que o
ohmímetro é utilizado em regiões de alta interferência eletromagnética, como
subestações com linhas de transmissão de 138 kV.
Os valores de tensão medidos na resistência podem variar da casa de 1mV
com resolução de 0,01mV, até 12V com resolução de 0,01V. Para tais medições
será necessário uma pré amplificação do sinal de entrada. Para isso será feito um
estudo do amplificador operacional indicado para este tipo de circuito.
A conversão destes sinais analógicos para sinais digitais será feito por um
microcontrolador, que devera possuir resolução mínima de 12 Bits, pertencente à
família TTL com alimentação de 5V.
O calculo da resistência será efetuada no microcontrolador, e será exibido em
um display alfanumérico, também deverão ser exibidos todos os outros valores das
medições como V1 e V2 para que o operador possa efetuar os cálculos
manualmente e averiguar o funcionamento, não descaracterizando a robustez da
Ponte.
13
4. DEFINIÇÃO MICROCONTROLADOR A SER UTILIZADO
O Microcontrolador utilizado na ponte realizara cálculos simples, de baixa
velocidade de aquisição de dados e de baixa velocidade de comunicação. A entrada
do ADC deverá ter resolução de 12 Bits e baixa velocidade de amostragem. Não
será necessária grande quantidade de memória RAM e Flash.
Por todas as características necessárias, observou-se que os
microcontroladores de 8 bits atenderiam satisfatoriamente a aplicação, uma vez que
outros microcontroladores de 16 ou 32 bits também atenderiam com folga à
aplicação, mas com custo muito elevado em relação aos de 8 Bits.
Considerando a existência de vários fabricantes de microcontroladores no
mercado, foi realizado um estudo das características envolvendo os 3 principais
fabricantes.
4.1. COMPARAÇÃO ENTRE OS FABRICANTES
Foram analisados 3 fabricantes, sendo a Microchip, a ATMEL, e a Freescale.
Todos os fabricantes possuem microcontroladores disponíveis no mercado há
vários anos, possuem ferramenta de gravação de fácil acesso, softwares IDE
gratuitos, compiladores C, ferramentas de depuração, e vários modelos de
microontroladores diversificados para atender a varias necessidades específicas.
A tabela 1 mostra os resultados comparativos.
14
Tabela 1 – Comparação dos Microcontroladores
fabricante Microchip ATMEL Freescale
família PIC18 AVR HCS08
CPU 8 bits 8 bits 8 bits
Pipeline sim sim não
Set de instruções RISC RISC CISC
Arquitetura Barramento Havard Harvard Von Neuman
ADC 12 Bits sim sim sim
Alimentação 5V sim sim sim
Divisão do Clock 2 1 2
4.2. FREESCALE HCS08
O Microcontrolador escolhido para o projeto foi o Freescale HCS08, este
fabricante de microcontroladores vem do consagrado fabricante MOTOROLA, que
separou a divisão de semicondutores em outra empresa.
A Freescale é consagrada no mundo todo, sendo um dos maiores fabricantes
de microcontroladores com aplicação industrial e principalmente automotiva.
A grande maioria dos microcontroladores utilizados em instrumentos e
equipamentos voltados a distribuição e transmissão de energia elétrica são da
Freescale, sendo a grande maioria da família de microcontroladores de 16 e 32 bits.
Este comportamento do mercado não é local como no Brasil, que tende a
utilizar os Microcontroladores da Microchip, e sim global, sendo observado o uso em
equipamentos do mundo todo, como Canadá, Inglaterra, Austrália, Alemanha,
Suécia, Estados Unidos da América e outros.
Os microcontroladores HCS08 são evolução da Família HC08, e a principal
diferença ente os outros fabricantes, é possuir um set de instruções do tipo CISC
15
(Complex Instruction Set Computer), ou seja, ele é capaz de realizar instruções
complexas, como divisão de 16 bits, o que facilita e otimiza códigos gerados para
cálculos matemáticos, e esta foi a principal característica que levou ao seu emprego
na ponte de queda de tensão.
O modelo utilizado ira realizar a conversão e amostragem dos sinais
analógicos, e posterior cálculos e exibição em um display alfanumérico.
16
5. DIAGRAMA DE BLOCOS
O funcionamento do circuito e o modo com que os diferentes módulos se
interagem podem ser vistos no diagrama de blocos, o diagrama mostra a
direcionalidade com que os módulos se interagem, conforme figura 5.
Figura 5 – Diagrama de Blocos.
A tensão V1 proveniente da queda de tensão na resistência é submetida ao
circuito seccionador, responsável pelo seccionamento da tensão V1 durante os
períodos de controle dos amplificadores, impedindo que haja tensão na entrada
deles durante a comutação da amplificação e a habilitação.
O modulo atenuador é responsável pela atenuação 4:1 do sinal de V1,
utilizando para isso um divisor resistivo de três resistores semi balanceados.
Circuito Atenuador
Microcontrolador
MC9S08JM60CLD
ADC 12 bits
V1
Seccionador
Atenuador
4:1
Amplificador
isolador de
impedância
Display
V2
Módulo
amplificador
Controle da
amplificação
Controle de
amplificação e
Habilitação
Limitador
5,1Vdc
Amplificador
isolador de
impedância
Filtro
Circuito Amplificador
Filtro
17
De maneira contraria, o modulo limitador de 5,1Vdc é responsável pela
limitação da tensão de entrada, evitando que em estágios onde a tensão seja maior
do que 5 v possa danificar a entrada do amplificador.
Os módulos amplificadores isoladores de impedância são responsáveis pela
amplificação do sinal de entrada, e pela isolação de impedância. Eles são formados
por dois amplificadores de instrumentação INA327 com pinos de habilitação e com
ganhos selecionados por resistores.
O módulo de controle de amplificação e habilitação executa a tarefa de
selecionar e habilitar o amplificador que devera ser utilizado, seja pelo circuito de
amplificação ou pelo circuito de atenuação, ambos os circuitos estão com suas
saídas ligadas ao mesmo filtro, por isso, apenas um circuito pode ser habilitado por
vez. Alem da habilitação, o circuito também possui três reles que chaveiam 4
conjuntos de resistores de seleção de ganho para garantir a divisão das escalas de
amplificação do modulo amplificador.
O circuito de filtragem é formado por um filtro passa-baixa passivo com uma
entrada e uma saída.
A tensão V2 proveniente da queda de tensão no Shunt é submetida ao
circuito amplificador formado pelo amplificador INA327, responsável pela
amplificação, esta amplificação é dividida em 2 escalas, selecionadas pelo modulo
de controle de amplificação, formado por um rele e 2 conjuntos de resistores.
Após a amplificação, o sinal de V2 é submetido à filtragem.
O display é responsável pela exibição dos valores de V1, V2 e V3, formado
por um display de 20 colunas por 2 Linhas com interface de 8 bits.
18
O microcontrolador é responsável pelo controle dos módulos seccionador,
controlador de amplificação, controle de amplificação e habilitação, e display, e
responsável pela conversão A/D de V1 e V2 previamente condicionados.
Além disso, o microcontrolador é responsável pelos cálculos do valor da
resistência.
19
6. PRINCÍPIO DE OPERAÇÃO DO FILTRO PASSIVO
As primeiras experiências com filtros foras feitas baseadas em filtros
passivos, uma vez que se deseja reduzir o numero de componentes na placa, os
custos e aumentar a robustez do instrumento.
Na primeira experiência se definiu a freqüência de filtragem, observando que
o instrumento ira trabalhar sobre indução eletromagnética na freqüência de 60 ou
50Hz e suas harmônicas, então foi dimensionado um filtro passa baixa para 25 Hz. A
configuração do filtro obedece à figura 6.
Figura 6 - filtro
Equação 11.
A freqüência de corte é definida como a freqüência em que o filtro ira
garantir uma atenuação de 3dB ao sinal de entrada, isso significa que os sinais na
freqüência de corte não são totalmente eliminados, e sim atenuados, por isso há a
necessidade de se ampliar, em determinados casos, a faixa da freqüência de corte
para garantir uma atenuação mais efetiva dentro da freqüência desejada.
CRFc
...2
1
π=
20
Para se determinar o valor do capacitor, primeiramente foi determinado
o valor do resistor baseado na impedância do circuito, o valor do capacitor poderá
ser obtido pela equação 12.
Equação 12.
O valor do capacitor e do resistor também devera ser analisado para
não gerar atraso na resposta da saída em relação à entrada, pois o capacitor estará
sujeito ao tempo de carga determinado pela combinação da resistência elétrica e a
capacitância.
FcRC
...2
1
π=
21
7. AMPLIFICAÇÃO DO SINAL
Os amplificadores operacionais disponíveis no mercado permitem diversas
configurações para amplificação, atenuação, e filtragem, com varias características
diferentes, para cada aplicação.
Observou-se que a amplificação no circuito não poderia depender da
impedância de entrada, pois o sinal de entrada é obtido diretamente da resistência, e
em muitas situações, a distância entre o equipamento de medição e a resistência é
considerável, podendo interferir no ganho do circuito amplificador, por isso, foi
determinado à utilização de amplificadores operacionais de Instrumentação.
O AOI é um amplificador capaz de obter amostras de sinais com impedâncias
variáveis, pois sua impedância de entrada tende ao infinito, para que isso seja
possível, ele é formado por 3 outros amplificadores, num arranjo capaz de interagir e
garantir a impedância de entrada fixa.
Assim, o ganho do AOI não envolve mais a resistência de entrada do
amplificador, mas sim através de outras resistências ligadas a pinos especiais do
AOI. Um esquema do arranjo pode ser observado na figura 7.
22
Figura 7 - AOI.
7.1. TIPOS DE AJUSTE DE GANHO
Para o projeto, levou-se em consideração o uso de amplificadores
operacionais de ganho programável, capaz de interagir via software, assim, o
microcontrolador poderia controlar o ganho digitalmente, minimizando os erros
gerados pela variação de resistências em função da temperatura e pela própria
imprecisão dos resistores.
Foi levado em consideração também o uso de AOI ajustados por pinos,
nestes modelos, os ganhos são predefinidos, e selecionados através de pinos, onde
são feitos fechamentos ao positivo comum de alimentação, este tipo de amplificador
foi descartado, pois possuem poucas combinações, sendo no máximo 4.
23
Outro tipo especial utiliza pinos com combinações lógicas binárias, que
possibilitam o ajuste do ganho do AOI, este tipo de AOI foi descartado no uso do
projeto, em virtude de seus ganhos serem pequenos, não atendendo a necessidade
do projeto.
Os dois tipos mais indicados ao uso no projeto são os de ganho ajustável por
resistores, e o de ganho ajustado por software.
7.2. ALIMENTAÇÃO
Os amplificadores operacionais poder ter 3 tipos de alimentações.
Single Supply: AO’s que não requerem alimentação por fonte simétrica, sua
alimentação pode ser dada por uma fonte linear, geralmente da família TTL com
tensões máximas de 5,5Vdc.
Dual: AO’s que requerem alimentações por fonte simétrica, geralmente
possuem tensões de alimentação máxima acima de 15V, sendo muito aplicados
para amplificação de sinais ondulatórios e alternados.
Existem também AO‘s híbridos, que possuem as duas formas de alimentação.
Para o projeto, o mais indicado é a utilização de amplificadores do tipo Single
Supply pois não necessitam de ajuste da tensão de referencia no ADC.
Outro fator importante é a relação de ponta a ponta na saída com a fonte,
este aspecto é comumente chamado de Rail-to-Rail, onde o amplificador Rail-to-Rail
possui a capacidade de apresentar em sua saída, tensões bem próximas das
24
tensões de sua alimentação, o que já não acontece com amplificadores comuns que
possuem limitações de até alguns volts.
Os amplificadores Rail-to-Rail, alimentados em fontes simples, podem chegar
a tensões na ordem de mv de diferença entre a tensão da fonte e sua tensão de
saída, a margem de alimentação positiva ou negativa de um amplificador é chamado
de Rail, daí a expressão Rail-to-Rail,que significa ponta a ponta.
25
8. ENSAIOS EXPERIMENTAIS
Foram realizados três experimentos ao longo do projeto, para determinação
das características de funcionamento de filtros, amplificadores e conversor analógico
digital do microcontrolador, os experimentos são vistos a seguir.
8.1. FILTRO PASSA BAIXA
Foi montado um circuito simples para filtragem de um sinal alternado de 60Hz
somado a um Off set de corrente contínua. Pode-se observar na figura 8.
Figura 8 – Sinal sem Filtro.
O circuito montado para filtrado segue na figura 9, e os resultados da
filtragem na figura 10.
26
Figura 9 – Filtro Passa Alta
Figura 10 – Sinal com Filtro.
Para garantir uma atenuação eficaz nas freqüências de 60 Hz, foi calculado
um filtro para freqüências até 120 vezes menor, ou seja, 0,5Hz, resultando em
resistor de 20kΩ, e capacitor de 15µf.
10V
20kR
15uF
AMP=2VFREQ=60Hz
+88.8
Volts
27
8.2. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE INSTUMENTAÇÃO SINGLE SUPPLY
Foram realizados testes com 3 amplificadores operacionais LM358 da ON
Semiconductor, configurando um arranjo de um amplificador operacional de
Instrumentação, na figura 11 é mostrado um esquema de ligação do amplificador
operacional de instrumentação.
Figura 11 – AOI com 3 AO Single Supply.
Após vários testes no protoboard e simulações no Eletronics Workbench 4.1,
verificou-se que o esquema de ligação não é valido para amplificadores operacionais
single supply, pois o amplificador operacional da entrada e2 não é capaz de gerar
sinais invertidos a sua fonte, impossibilitando o funcionamento do circuito, fato
constatado também no simulador, que uma vez trocado o tipo de amplificador
operacional para um dual, logo funcionou nas mesmas características de um
28
amplificador de Instrumentação, possuindo ganho independente da impedância
ligada a sua entrada.
8.3. CONVERSOR A/D DO MICROCONTROLADOR
Foram realizados testes envolvendo o microcontrolador Freescale
MC9S08JM60, usando uma rotina para aquisição de amostras do ADC,
fragmentação do valor lido em caracteres e envio para o LCD.
A princípio, o ADC apresentou uma variação de aproximadamente 30 degraus
quando realizava medições de 12 bits de aproximadamente 3800, isso acontecia
mesmo com os pinos de referência da entrada analógica devidamente conectados.
Após vários testes, verificou-se a necessidade de se efetuar várias aquisições
de amostras e realizar medias. Primeiramente foi realizada a media de 16 valores
lidos pelo ADC, e constatado a variação de apenas 3 degraus após a media.
Depois foi efetuado o teste operando 256 valores para efetuar a média, após
isso, constatou que os valores lidos estavam variando apenas 1 degrau a cada 5
segundos, o que é aceitável.
Todos estes valores podem ser observados na tabela 2.
Tabela 2 – Valores Lidos no ADC.
ADC Min ADC Max amostras variação
3860 3890 1 30
3873 3876 16 3
3874 3875 256 1*
* Variação não seqüencial.
29
9. Circuito condicionador de sinais
A princípio, o circuito condicionador de sinais é um estágio da aquisição de
dados, onde se realiza a preparação e o tratamento do sinal, a fim de que ele possa
ser o mais próximo possível das características esperadas e suportadas, assim,
podemos dizer que basicamente, um condicionador pode se resumir a três funções,
sendo a filtragem, a amplificação e a atenuação.
9.1. FILTRAGEM DO SINAL
O tipo de filtro escolhido será o passivo, de primeira ordem, formado por
capacitores e resistores, o mesmo será posicionado estrategicamente dentro dos
módulos de atenuação e amplificação, em virtude disso será necessário garantir
uma faixa de segurança, para que o amplificador não sature a borda superior do
ruído. Este efeito pode ser observado através da Figura 12.
Figura 12. Saturação do ruído.
Este efeito de saturação poderá ocorrer caso o valor de pico do ruído for
superior ao valor de rail positivo do amplificador, sendo assim, a troca das escalas
serão efetuadas abaixo do valor do rail, sendo efetuadas a 115mv do rail de 5V.
30
Para garantir uma faixa de filtragem de ruídos acima de 115mV de pico e
garantir o funcionamento da troca de escalas, será incrementado o rail utilizando
uma fonte acima da tensão fundo de escala do ADC, sendo essa tensão de 5,1V
obtida através de um circuito de alimentação com diodo Zener.
9.2. AMPLIFICAÇÃO E ATENUAÇÃO DO SINAL
A princípio, o modulo de amplificação foi associado ao modulo de atenuação
de forma cascateada, sendo que o modulo de atenuação era composto de um
divisor resistivo de relação 4:1 para impedir valores de tensão maiores do que 5 V
na entrada do amplificador, um modulo isolador de referencia e impedância formado
por um amplificador de instrumentação com ganho unitário, e um modulo de
amplificação com ganhos variáveis e selecionáveis através de reles.
Os testes mostraram que o arranjo insere muitos erros a medição,
principalmente por offset, pois o amplificador trabalha com ganho unitário, e um sinal
de baixa amplitude em sua entrada. Este efeito é comum a este tipo de
configuração.
Para solução deste problema, foram realizados testes com diodos zener na
entrada do circuito, para determinar a variação que o mesmo exercia na medição, e
foi constatado que o diodo praticamente não insere carga em impedâncias menores
do que 100kΩ, estando trabalhando longe da sua tensão de zener.
Assim, foi possível iniciar o uso do circuito de aquisição e condicionamento
dos sinais trabalhando com amplificadores operacionais em paralelo, utilizando
circuito de atenuação e circuito de amplificação.
31
9.3. CIRCUITO CONDICIONADOR DE SINAIS EM PARALELO
O circuito utilizado, foi dividido em atenuação e amplificação, o amplificador
utilizado INA337 possui tensão máxima de entrada de 5,6V , sendo assim, o modulo
de atenuação ira ser responsável pelo condicionamento dos sinais pertinentes a
tensões acima de 4V. Os sinais menores do que 4 V serão amplificados.
Para amplificação, foram definidas 4 escalas de funcionamento, onde, cada
escala é selecionada por um rele, que chaveia resistores, foram utilizados 3 reles
para chavear 4 combinações.
Utilizando este arranjo, e selecionando o amplificador através do enable do
próprio amplificador operacional, é possível se trabalhar com 5 escalas, comutadas
automaticamente. Alem destes reles, foi adotado mais um rele que trabalha
juntamente a alimentação dos enables, para chavear o sinal de entrada, assim, o
sinal de entrada so estará disponível nas terminais do amplificador depois da sua
respectiva habilitação, impedindo assim travamentos do amplificador.
Todo este funcionamento descreve apenas o voltímetro dedicado ao V1, que
pode variar de mV até 12V. A Tabela 3 descreve as escalas de V1.
Tabela 3 – Escalas de V1.
Escalas resolução
V
Fundo escala
V
Mudança Escala V
Folga da escala V
Folga escala Bits
Folga abaixo
bits
Folga abaixo
V Ganho
4 mv 0,000001 0,004095 0,004 0,000095 95 0 0 1221,001 40 mv 0,00001 0,04095 0,04 0,000950 95 400 0,488 122,1001 400 mv
0,0001 0,4095 0,4 0,009500 95 400 0,488 12,21001
4 V 0,001 4,095 4 0,095000 95 400 0,488 1,221001 20V 0,005 20 20 0,000000 0 800 0,976 0,244200
32
Para amplificação dos sinais de V2 foi adotado apenas 2 escalas, pois a
tensão vinda do Shunt não ultrapassara 15mV, sendo o amplificador operacional
INA327 utilizado, com seu ganho selecionado pelo rele que chaveia resistores.
O uso do sinal do enable foi dispensado em função da tensão de entrada ser
muito baixa, e por se tratar de apenas 2 escalas de alto ganho. A tabela 4 mostra as
escalas de V2.
Tabela 4 – Escalas de V2.
Escalas resolução
V
Fundo escala
V
Mudança Escala V
Folga da escala V
Folga escala Bits
Folga abaixo
bits
Folga abaixo
V Ganho
4 mv 0,000001 0,004095 0,004 0,000095 95 0 0 1221,001 40 mv 0,00001 0,04095 0,04 0,000950 95 400 0,488 122,1001
A utilização dos reles trouxe robustez e extremo automatismo ao circuito, que
é capaz de comutar automaticamente as escalas para achar o valor das tensões de
V1 e V2, para posterior calculo.
33
10. FLUXOGRAMA
O funcionamento do algoritmo pode ser descrito através de um fluxograma.
Na figura 13 é exposto o fluxograma, onde é realizada a média de 65535 valores do
ADC e calculado o valor da resistência.
Figura 13– Fluxograma
Inicio
Inicializa Variáveis
Configura Clock
Configura Portas
Configura LCD
Leitura ADC1
Leitura ADC2
Media ADC1
Media ADC2
OK
Converte ADC em
Volts.
Escala OK
Desfragmenta
caracteres.
Ajusta caracteres
ASCII.
Envia caracteres de
V1 e V2 para
display.
Exibição Valores
no Display
Calcula valor da
Resistência.
Desfragmenta
caracteres.
Ajusta caracteres
ASCII.
Envia caracteres de
Resistência para
display.
Exibição Valores
no Display
Atraso
Prepara sistema
para LOOP
Ajusta
escala
Ajusta
escala Escala OK
34
O sistema é inicializado, onde há o POR do microcontrolador, e o oscilador
chega a estabilidade. As portas são configuradas e é carregado o endereço de inicio
do programa na Flash.
As variáveis Globais são inicializadas, o clock é configurado, LCD é
inicializado, configurado e limpo, é escolhido o cursor e o modo de comunicação do
display.
É realizada a leitura de V1 e V2 pelo conversor A/D.
É realizada a bufferização do valor em variáveis para posterior divisão,
realizando assim uma media de vários valores diminuindo a variação dos valores de
V1 e V2, assim é realizado o teste condicional para verificação da media de V1 e V2,
esta média é de 65535 amostras de cada tensão.
Os valores de V1 e V2 são obtidos e são calculados em Volts, mV e µV.
Através de um teste condicional, é verificado se há necessidade de mudar de escala
para aumentar ou diminuir a amplificação, obtendo um valor que se encaixe na
respectiva escala . Caso não encontre o valor que se enquadre na escala, o sistema
volta a realizar a aquisição dos novos valores de tensão, mas agora com outra
escala. Esse processo é repetido até ser encontrado o valor que se enquadre na
respectiva escala, estas escalas podem ser observadas na tabela 5.
Tabela 5 – Escalas de resistência.
Escalas resolução Fundo escala
100 µΩ 0,01 µΩ 99,99 µΩ
1000 µΩ 0,1 µΩ 999,9 µΩ
10 mΩ 1 µΩ 9,999 mΩ
100 mΩ 0,01 mΩ 99,99 mΩ
1000 mΩ 0,1 mΩ 999,9 mΩ
10 Ω 1 mΩ 9,999 Ω
100 Ω 10 mΩ 9,999 mΩ
35
Os valores de V1 e V2 são desfragmentados de decimal para BCD em forma
de matriz de caracteres, posteriormente os caracteres são ajustados para ASCII.
Os valores de V1 e V2 são enviados para o display, bem como suas unidades
de medidas, estes valores são exibidos pelo display para o usuário.
O sistema sofre então um atraso intencional, este atraso tem função de criar
suavização na exibição dos valores.
O sistema se prepara para o Loop, apagando as variáveis necessárias, e
reposicionando o vetor program Counter para uma o estagio de novas aquisições do
conversor A/D.
36
11 CONCLUSÃO
O projeto de um instrumento de medição analógica pode ser mais complexo
do que se esperado, em virtude de vários fatores que aparecem no decorrer do
projeto, esses fatores podem levar a total mudança do projeto, mesmo ele estando
em fase final, pois como observado o fator de filtragem é um ponto critico que deve
estar em perfeito funcionamento com a amplificação.
No projeto da ponte, se pretende substituir o voltímetro, mas na digitalização,
isso vai muito além de apenas um voltímetro, trata-se da combinação de vários
circuitos capazes de juntos realizarem esta função, e sobretudo, um algoritmo eficaz,
capaz de realizar as medições sem inserir atrasos, ou perdas por aproximação dos
resultados.
Mesmo estes fatores descobertos serem críticos, ainda sim, o produto final é
de grande importância, e facilitara em muito a utilização da ponte de queda de
tensão, e ira garantir um perfeito aprendizado acadêmico.
O estagio condicionador de sinais deverá garantir o isolamento da referencia
do sinal de entrada proporcionando ao mesmo tempo uma alta impedância de
entrada, e garantindo em sua saída uma filtragem eficaz, para isso, a opção de se
atenuar sinais com o circuito em serie se mostrou inapropriado, e o método de
proteção contra sobre tensão na entrada se mostrou a melhor escolha.
A utilização de reles para selecionar a escala se mostrou eficaz e simples,
garantindo precisão e possibilidade de ajustes de calibração.
37
12. BIBLIOGRAFIA BÁSICA
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores HCS08 :Teoria e Pratica. São Paulo:
Érica, 2005.
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores HC908Q :Teoria e Pratica. São Paulo:
Érica, 2004.
PERTENCE Júnior, Antônio. Amplificadores operacionais e filtros ativos:
teoria, projetos, aplicações e laboratório 5. Ed. São Paulo: Makron Books, 1996
BRAGA, C Newton. Fontes de alimentação. São Paulo: Saber,2005
ASCENIO, Ana Fernanda Gomes. Fundamentos da programação de
Computadores. São Paulo: Prentice Hall, 2002.
Sites
http://pt.wikipedia.org/wiki/Filtro_passa-baixo - Acessado em 16/02/2010.
http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentation-
amplifiers/products/index.html - Acessado em 17/02/2010.
http://www.microchip.com/ParamChartSearch/chart.aspx?branchID=1004&mid
=10&lang=en&pageId=74 – Acessado 17/02/2010.
http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentation-
amplifiers/ist/103/pst.html - Acessado em 01/03/2010.
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/view/3067/MOTOROLA/LM358.html - Acessado em 02/03/2010
38
13. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores HCS08 :Teoria e Pratica. São Paulo:
Érica, 2005.
PEREIRA, Fábio. Microcontroladores HC908Q :Teoria e Pratica. São Paulo:
Érica, 2004.
PERTENCE Júnior, Antônio. Amplificadores operacionais e filtros ativos:
teoria, projetos, aplicações e laboratório 5. Ed. São Paulo: Makron Books, 1996
BRAGA, C Newton. Fontes de alimentação. São Paulo: Saber,2005
ASCENIO, Ana Fernandes Gomes. Fundamentos da programação de
Computadores. São Paulo: Prentice Hall, 2002.
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=10&lang=en&pageId=74 – Acessado 17/02/2010.
http://www.analog.com/en/amplifiers-and-comparators/instrumentation-
amplifiers/ist/103/pst.html - Acessado em 01/03/2010.
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/view/3067/MOTOROLA/LM358.html - Acessado em 02/03/2010
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14. APÊNDICES
14.1 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO.
O diagrama esquemática demonstra as ligações funcionais do circuito, os
pinos utilizados pelo amplificador e pelo microcontrolador, as ligações dos reles,
resistores, display, potenciômetros etc.Diagrama pode ser visto na figura14.
Figura 14 – Diagrama eletrônico.
Pino 1
Pino 11
Pino 33
Pino 23
Pin
o 44
Pin
o 34
Pin
o 12
Pin
o 22
Microcontrolador
Freescale 8 bits
MC9S08JM60CLD
ADC 12 Bits
1 2 3 4 5
10 9 8 7 6
U1 INA 327
1 2 3 4 5
10 9 8 7 6
U2 INA 327
1 2 3 4 5
10 9 8 7 6
U3 INA 327
VI1 VO 3
GN
D2
REGULADOR7805
RL1 RL2 RL3
RL4OMI-SH-205D
RL5OMI-SH-205D
123456
TERMINAL
D7
14D
613
D5
12D
411
D3
10D
29
D1
8D
07
E6
RW
5R
S4
VS
S1
VD
D2
VE
E3
LCD1LM032L
Q4
BC546BP
Q3
BC546BP
Q2
BC546BP
R18510R R19
510RR20510R
18K
4,7K
R017.4K
R0282K
R0610k
R0710k
D1
5,1V
R04100K
R05100K
PT8
10k
R1210k
R1310k
Q1
BC546BP
R15510
PT7
10k
PT6
10k
PT4
50k
PT5
10k
R09
330K
PT1
100K
R08
120K
R10
220K
R21
1200k
R11
15k
C215000UF
R14
15k
C315000UF
PT3
10k
PT2
10k
R16
220k
R17
1200k
12Vdc (+)12Vdc (-)+ V1- V1+ V2- V2
C01
1000uF
U4
D2
led
D2
led
Q5BC546BP
R22
510
40
14.2 FOTO DO FUNCIONAMENTO DO CIRCUITO.
Todo o circuito de controle, digital e analógico foi colocado no protoboard, e
toda a parte de potencia foi colocado em uma pequena maquete de madeira, a
ligação pode ser observada na figura15.
Figura 15 – Foto do conjunto completo de medição.
41
14.3 CÓDIGO DE PROGRAMAÇÃO C ANSI.
O firmware do microcontrolador foi gerado através do compilador codewarrior
6,3 da Metroworks, empresa parceira da Freescale, escrito em linguagem C padrão
C ANSI, e gerando o seguinte código.
#include <hidef.h> /* for EnableInterrupts macro */
#include "derivative.h" /* include peripheral declarations */
//#include "float.h"
//Declaração das Variaveis globais
unsigned int a,b,b1,b2,b3,temp1,c,temp;
long double v,v2,r;
unsigned int temp8a;
unsigned char d,i,i2,i3,esc ,ponto,escant,escr,escv2;
unsigned int x;
unsigned long int n;
unsigned char x1;
char numero[]="josue+++";
char numeror[8]="";
/*****************************************************************
******************************************************************
42
******************************************************************
******************************************************************
******************************************************************
******************************************************************
******************************************************************
******************************************************************
*****************************************************************/
/*Função principal do programa, ela é responsavel pela chamada de cada
função individualmente, e pelo laço de repetição do sistema
alem disso, ela realiza a configuração od clock, watch dog, e da porta do display
*/
void main (void)
unsigned int temp2;
//EnableInterrupts; /* enable interrupts */
SOPT1_COPT=0; //desabilita watch dog
//MCGC2=0B00110110; //Habilita clock e desabilita divisao
//MCGC3=0B01000101;
//MCGC1=0B00100000; //Habilita referencia clock externo
PTEDD=0B11111111; //porta E
43
inilcd();
ponto=9;
enviamatchar();
esc=0;
escant=1;
for(temp2=2000;temp2;temp2--)
tempo15();
while(1)
ligarele();
ligarelev2();
for(temp2=0;temp2;temp2--)
tempo15();
mediaadc(&leADC0);
escala();
mediaadc(&leADC1);
v2=b;
44
desfra(v);
ajustacrc();
enviamatchar();
escalav2();
desfra(v2);
ajustacrc();
enviamatcharv2();
calcular();
desfrar(r);
ajustacrcr();
enviamatcharr();
45
15. ANEXOS
15.1 DATASHEET MICROCONTROLADOR MC9S08JM60
46
47
48
49
50
15.2 DATASHEET AMPLIFICADOR INA327
51
52
16 . INDICAÇÕES DE RESPONSABILIDADE
____________________________________
JOSUÉ MIRANDA DA SILVA
Acadêmico
____________________________________
Me MARCO ANTÔNIO DE ARRUDA CORTEZ
Orientador
