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SUELDO DE SOUSA ALMEIDA
SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA LEITURAS ANALÓGICAS DE
TENSÃO UTILIZANDO UM MICROCONTROLADOR PIC (INTERFACE
CONTROLADORA DE PERIFÉRICOS)
MOSSORÓ - RN
2012
2
SUELDO DE SOUSA ALMEIDA
SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA LEITURAS ANALÓGICAS DE
TENSÃO UTILIZANDO UM MICROCONTROLADOR PIC (INTERFACE
CONTROLADORA DE PERIFÉRICOS)
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Irrigação e Drenagem da
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
como parte das exigências para obtenção do
título de Mestre em Irrigação e Drenagem.
ORIENTADOR: Prof. D.Sc. Vladimir Batista Figueirêdo
MOSSORÓ - RN
2012
3
Ficha catalográfica preparada pelo setor de classificação e
catalogação da Biblioteca “Orlando Teixeira” da UFERSA
Bibliotecár
ia: Vanessa
de Oliveira
Pessoa
CRB15/45
3
A447s Almeida, Sueldo de Sousa.
Sistema de aquisição de dados para leituras analógicas de
tensão utilizando um microcontrolador pic (interface
controladora de periféricos). / Sueldo de Sousa Almeida. --
Mossoró, 2012.
66 f.: il.
Dissertação (Mestrado em Irrigação e Drenagem) - Universidade
Federal Rural do Semi-Árido.
Orientador: Dr. Vladimir Batista Figueirêdo.
1. Registradores de dados. 2. Sensores. 3. Manejo da irrigação. 4.
Temperatura. I.Título.
CDD: 631.587
4
SUELDO DE SOUSA ALMEIDA
SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS PARA LEITURAS ANALÓGICAS DE
TENSÃO UTILIZANDO UM MICROCONTROLADOR PIC (INTERFACE
CONTROLADORA DE PERIFÉRICOS)
Dissertação apresentada ao Programa de Pós-
Graduação em Irrigação e Drenagem da
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
como parte das exigências para obtenção do
título de Mestre em Irrigação e Drenagem.
APROVADA EM: _____/_____/______
_______________________________________________
Prof. D.Sc. Vladimir Batista Figueirêdo - UFERSA
Orientador
_________________________________________________
Prof. D.Sc. José Francismar de Medeiros - UFERSA
Conselheiro
_________________________________________________
Prof. M.Sc. Magna Soelma Beserra de Moura - EMBRAPA
5
Dedico aos meus pais, noiva, irmãos, tias, tio e
amigos, pessoas que ajudaram e ajudam na
busca de meu desenvolvimento pessoal e
profissional.
Dedico
6
7
AGRADECIMENTOS
A Deus, por sempre dar-me forças e serenidade para a superação de minhas dificuldades.
Aos meus pais e noiva pelo constante incentivo ao meu crescimento pessoal.
À Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA) de Mossoró, pela oportunidade de
realizar o curso do Mestrado.
Ao meu orientador, Dr. Vladimir Batista Figueirêdo pela orientação para o desenvolvimento
deste trabalho.
À Egmidio Caratti e Osvaldo pela ajuda e dicas.
E a todos que, direta e indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho.
8
"Há homens que lutam um dia e são bons. Há
outros que lutam um ano e são melhores. Há os
que lutam muitos anos e são muito bons. Porém,
há os que lutam toda a vida. Esses são os
imprescindíveis."
Bertolt Brecht.
9
RESUMO
ALMEIDA, Sueldo de Sousa. Sistema de aquisição de dados para leituras analógicas de
tensão utilizando um microcomputador PIC. 2012. 65 f. Dissertação (Mestrado em
Irrigação e Drenagem) - Universidade Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), Mossoró-
RN, 2012.
Os Sistemas de Aquisição de Dados (SAD) estão presentes em muitos estudos e colaboram na
coleta, armazenamento e análise de dados. Na agropecuária, esses sistemas são usados em
ensaios de máquinas agrícolas, estudos das características do solo e manejo da irrigação,
dentre outras aplicações em que se faz necessária a coleta de dados por meio de sensores.
Neste trabalho avaliou-se um SAD (Sistema de Aquisição de Dados) construído e calibrado,
que usa como componente central um microcontrolador da família PIC (INTERFACE
CONTROLADORA DE PERIFÉRICOS), um software e computador para armazenamento de
dados. Para tanto se utilizou do sensor de temperatura do tipo termopar e um sensor modelo
HMP45C da Vaisala (comercial) conectados a este SAD e a um datalogger (SAD) modelo
CR10X da Campbell Scientific Inc., instalados em condições de ambiente protegido e de
campo, no período de 20/03 a 15/05/2011, em Mossoró, RN. Os dados coletados pelos SADS
foram armazenados na memória do computador em forma de arquivo-texto para
posteriormente serem processados por um aplicativo desenvolvido para plataforma Microsoft
Windows. A coleta de dados com os dois tipos de SAD foi realizada a fim de serem
verificadas a precisão e a exatidão dos dados. Os resultados obtidos demonstraram que o uso
do SAD construído é funcional na aquisição de dados de temperatura e umidade relativa para
uso no manejo de irrigação. A correlação (R²) dos dados de temperatura e umidade relativa
foram respectivamente 0,9915 e 0,9997, representando uma pequena dispersão dos dados. Foi
utilizado o método de avaliação de modelo matemático MSD (quadrado do desvio médio)
entre os dados de temperatura coletados pelo SAD e pelo datalogger, bem como pela
temperatura do HMP45C, onde os parâmetros encontrados apresentaram pequenas variações
referentes a desvios de translação, dispersão e rotação em relação aos dados de referência.
Por esses resultados pode-se considerar o uso de periféricos simples, de baixo custo, podendo
ser montado pelo usuário a partir de componentes eletrônicos encontrados no mercado
nacional.
Palavras-chave: Registradores de dados, sensores, manejo da irrigação, temperatura.
10
11
ABSTRACT
ALMEIDA, Sueldo de Sousa. Acquisition data system to take analog voltage using a PIC
microcontroller. 2012. 65f. Dissertation (MSc in Irrigation and Drainage) - Universidade
Federal Rural do Semi-Árido (UFERSA), Mossoró-RN, 2012.
Acquisition Data Systems (SAD) are present in many studies and collaborate in the collection,
storage and analysis. In the agricultural field, these systems are used in tests of agricultural
machines, studies of soil characteristics and irrigation management, among other applications
where it is necessary to collect data through sensors. In this work we evaluated a DSS, built
and calibrated using as a central component of PIC microcontroller family, a software and
computer data storage. For that we used temperature sensor type thermocouple connected to
this SAD, comparing it with the readings made by the same sensor and the sensor model
HMP45C Vaisala (commercial) connected to a datalogger (SAD) model CR10X, Campbell
Scientific Inc. installed in protected cultivation and field in the period from 20/03 to
15/05/2011 in Mossley, RN. Data collected by the sensors were stored in computer memory
in the form of text file for later processing by an application developed for Microsoft
Windows platform. Data collection with two types of SAD was performed in order to be
verified the precision and accuracy of the data. The results showed that the use of SAD is
built on the functional data acquisition of temperature and relative humidity in irrigation. The
correlation (R²) of data on temperature and relative humidity were respectively 0,9915 e
0,9997, representing a small dispersion of data. Method was used to evaluate mathematical
model MSD between the temperature data collected by the SAD's as well as by the
temperature of HMP45C, where the parameters were found small variations related to errors
of translation, rotation and dispersion. For these results we consider the use of peripheral
simple, low cost and can be mounted by the user from the electronic components found in the
market.
Keywords: Data Acquisition, sensors, management irrigation, temperature.
12
LISTA DE TABELAS
Tabela 1. Comparação de alguns termopares padrão. 34
Tabela 2. Coeficientes polinomiais de alguns termopares. 36
Tabela 3. Vantagens e desvantagens dos termopares.
36
LISTA DE QUADRO
Quadro 01. Valores de MSD, SB, NU e LC.
57
13
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Tensão de Seeback, eAB. 33
Figura 2. Efeito de Seeback. 33
Figura 3. Cancelamento do erro devido à ligação com um voltímetro.
34
Figura 4. Característica tensão-temperatura de alguns termopares. 35
Figura 5. Termohigrômetro instalado em seu suporte (A) e termohigrômetro em
seu desenho esquemático (B).
43
Figura 6. Microabrigo psicrométrico instalado na área experimental. 44
Figura 7. Diagrama esquemático dos principais elementos do Datalogger. 46
Figura 8. Visão das partes do Datalogger (A) e do seu periférico teclado
/display(B). (Manual do CR10X, 2010)
Figura 9. Painel de conexão do datalogger (Manual do CR10X, 2010)
Figura 10. PIC 16F877A
47
48
50
Figura 11.Regulador de tensão
50
Figura 12. Alguns componentes discretos utilizados no SAD construído
(resistores, RS 232, Max 232).
Figura 13. MAX 232.
Figura 14. Placa PCI.
51
52
53
14
Figura 15: Valores médios de um dia da temperatura (A) e umidade relativa do
ar (B) para o sensor HMP45C, coletados por um datalogger CR10X
da Campbell e um SAD construído, para o ambiente protegido.
Mossoró, RN, 2011.
54
Figura 16: Correlação entre os valores de temperatura do ar (A) e umidade
relativa do ar (B) obtidos a partir do SAD construído e do datalogger
(10X), utilizando o sensor HMP45C, para as condições de ambiente
protegido. Mossoró, RN, 2011.
55
Figura 17. Equação de calibração da diferença de potencial elétrico (ddp) ou
tensão (em volts) versus a temperatura do termopar (°C) obtida
pelo SAD construído.
56
Figura 18. Dispersão dos dados de temperatura coletados pelos SAD
Construído (A) e o datalogger (CR10X da Campbell) (B) em relação
à temperatura padrão do Termopar.
58
15
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 17
2 REVISÃO DE LITERATURA........................................................................ 20
2.1SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS (SAD).......................................... 20
2.2 MICROCONTROLADORES......................................................................... 21
2.3 DATALOGGERS............................................................................................. 22
2.4 SENSORES................................................................................................... 22
2.5 APLICAÇÕES MICROCONTROLADAS EM ESTUDOS AGRÍCOLAS..... 23
2.6 MICROCLIMA.............................................................................................. 27
2.6.1 Sensores de temperatura................................................................... .......... 27
2.6.2 Sensores de umidade relativa do ar..................................................... .......... 37
2.7 Cultivo em ambiente protegido...................................................................... 40
3 MATERIAL E MÉTODOS.............................................................................. 42
3.1 ÁREA EXPERIMENTAL................................................................................ 42
3.2 EQUIPAMENTOS DE REFERÊNCIA............................................................ 42
3.2.1 Termopar.................................................................................................... 34
3.2.2 Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do ar........................................ 39
3.3.2 Variáveis Fisiológicas................................................................................... 31
3.3 MONITORAMENTO DOS DADOS............................................................... 39
3.4 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS (SAD) CONSTRUÍDO............. 42
3.4.1 Configuração e microcontrolador..................................................... .......... 42
3.4.2 Firmware do Datalogger............................................................................ 44
3.5 DATALOGGER (CR10X – CAMPBELL)...................................................... 45
3.5.1 Especificações e características do datalogger............................................ 45
3.5.2 Software do datalogger...................................................................... ........... 48
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO............................................................ .......... 49
5 CONCLUSÕES.................................................................................................. 54
REFERÊNCIAS.................................................................................................... 55
16
17
1 INTRODUÇÃO
A rápida evolução da eletrônica, associada à expansão crescente do mercado, tem
possibilitado o acesso à tecnologia e ferramentas de ponta que antes eram disponíveis apenas
em laboratórios bem equipados e centros de pesquisa. Com o crescimento vertiginoso do uso
de microprocessadores, o custo destes reduziu-se consideravelmente, permitindo sua
aplicação em equipamentos de leitura e armazenamento de dados.
O registro de dados de forma automática possibilita, entre outras vantagens, a
eliminação de erros humanos na leitura dos sensores, erros de digitação, perdas de dados,
sincronismo da leitura entre vários instrumentos e freqüência de leitura com intervalos
precisos. O computador pode ser usado na coleta, armazenamento, processamento e
transmissão dos dados. Outra vantagem do uso de computadores é que os dados obtidos
podem ser trabalhados em diversos aplicativos comerciais, tais como planilhas eletrônicas,
programas gráficos, estatísticos, editores de texto, dentre outros (GOMIDE, 1998).
Para que a aquisição de dados via computador possa ser implementada, é necessária a
existência de um periférico (hardware) capaz de transmiti-los à unidade central de
processamento (CPU), constituindo um sistema de aquisição de dados (SAD). Existem vários
tipos de periféricos, desenvolvidos para atender as mais diferentes situações. Entretanto,
alguns desses equipamentos são caros e de difícil manutenção. De acordo com Crestana et al.
(1998), reparos em equipamentos desse tipo tornam-se, muitas vezes, uma tarefa complicada.
Segundo os autores, alguns equipamentos são adquiridos como verdadeiras “caixas pretas”, e
sua manutenção, quando possível, é realizada apenas pelo fabricante que, em geral, encontra-
se sediado no exterior.
Sob a ótica de desenvolver equipamentos de menor custo, cuja manutenção se torna
facilitada em razão de se conhecer totalmente o processo construtivo e os componentes
eletrônicos empregados, alguns pesquisadores têm optado por construir seus próprios
aparelhos. A possibilidade de integrar linguagens de programação de alto nível a periféricos
construídos é, sem dúvida, um fator que tem favorecido o desenvolvimento desses
equipamentos (COELHO FILHO et al., 2004).
A temperatura e umidade relativa do ar são elementos meteorológicos de grande
importância em estudos bioclimatológicos, existindo vários tipos de sensores para a
quantificação desses elementos, desde os mais comuns (termômetros de mercúrio) até aqueles
mais modernos (sensores resistivos). Porém, tanto os comuns quanto os de sensores resistivos,
apresentam desvantagens, o primeiro pela necessidade da atuação de um observador
18
meteorológico para efetuar as leituras, e o segundo por apresentar custo elevado. Alguns
pesquisadores, tais como MIDDLETON & SPILHAUS (1953), ROSENBERG (1974),
BARBER & GU (1989) e BROWN & OOSTERHUIS (1992), utilizaram-se de materiais e
fontes de ventilação nem sempre encontrados no mercado; e outros com materiais de baixo
custo, mas com ventilação artificial, como em GRODZKI et al. (1999) e MARIN et al.
(2000).
Devido à complexidade, necessidade de calibração e custo do processo automático de
coleta de dados, muitos pesquisadores e estudantes dos cursos de graduação e de pós-
graduação encontram dificuldades para a utilização de técnicas avançadas de monitoramento
do ambiente. Apesar do grande desenvolvimento da eletrônica, muitas pesquisas ainda são
realizadas por meio de medições instantâneas de temperatura com termômetros de mercúrio
em vidro. Essa técnica é extremamente exaustiva e limita drasticamente o acompanhamento
em tempo real das variações de temperatura no interior das instalações agrícolas (NETO;
ZOLNIER2, 2006).
O uso de termopares para medidas de temperatura ganha destaque devido ao seu baixo
custo, fácil construção e manuseio simples, sendo importante a avaliação de suas medidas.
Dessa maneira, o objetivo deste trabalho foi construir e testar um SAD, comparando medidas
de temperatura realizadas por meio de um sensor comercial (Vaisala modelo HMP45C)
ligados a este SAD e ao datalogger CR10X da Campbell Scientific Inc. em condições de
ambiente protegido.
19
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Sistemas de Aquisição de Dados (SAD)
Segundo INAMASU et al. (1996), os principais componentes de um sistema de
aquisição de dados são:
- sensor/transdutor: elemento em contato com o mundo real. Um transdutor transforma
um sinal a ser medido em outro tipo (geralmente elétrico). É formado pelo elemento sensitivo
primário, elemento conversor primário e elemento conversor de variável. Atualmente, existem
no mercado sensores “inteligentes”, que incorporam o elemento de conversão de sinal e de
transmissão de dados digitais “diretamente” a um microcomputador.
- elemento sensitivo primário: este elemento é a parte do sensor que entra em contato
com o mundo real. Pode ser uma concha que recebe o vento para transformar a variável de
interesse (velocidade do vento) em rotação.
- elemento conversor de sinal: este elemento converte uma variável em outra. Por
exemplo: rotação em sinal elétrico, sinal analógico em digital, voltagem em corrente, etc. Em
sensores, é o elemento que incorpora o princípio de transdução.
- elemento armazenador de dados: este elemento armazena os dados digitais e
possibilita “arquivar” os mesmos. Fisicamente, pode ser um semicondutor (memória) ou um
disco magnético.
- elemento de processamento de dados: os dados são processados por
microprocessadores ou microcontroladores programáveis, antes de serem apresentados. Em
alguns casos, pode ser um microcomputador.
- elemento transmissor de dados: a transmissão é o elemento mais versátil e
complicado do sistema. Fisicamente, pode ser um simples par de fios até rádios. É nesse meio
onde são necessários protocolos para conectividade.
- elemento de apresentação de dados: a apresentação pode ser um indicador luminoso
em uma tela de microcomputador.
De acordo com TAYLOR (1997), os sistemas de aquisição de dados são constituídos
por condicionadores de sinais, conversores analógicos-digitais (A/D), interface de
comunicação para a transferência das informações digitais e programa computacional de
gerenciamento e processamento de dados.
20
2.2 Microcontroladores
Os microcontroladores são chips inteligentes, que tem um processador, pinos de
entradas/saídas e memória. Através da programação dos microcontroladores podemos
controlar suas saídas, tendo como referencia as entradas ou um programa interno.
O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores, são as quantidades de
memória interna (programa e dados), velocidade de processamento, quantidade de pinos de
entrada/saída (I/O), alimentação, periféricos, arquitetura e set de instruções.
As circunstâncias que ocorrem, atualmente, no campo dos microcontroladores têm os
seus primórdios no desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados. Este
desenvolvimento tornou possível armazenar centenas de milhares de transistores num único
chip. Isso constituiu um pré-requisito para a produção de microprocessadores e, os primeiros
computadores foram construídos adicionando periféricos externos, como memória, linhas de
entrada e saída, temporizadores e outros. Um crescente aumento do nível de integração
permitiu o aparecimento de circuitos integrados contendo simultaneamente processador e
periféricos. Foi assim que o primeiro chip contendo um microcomputador e que mais tarde
haveria de ser designado por microcontrolador, apareceu.
De eletrodomésticos a sistemas industriais, passando pelo computador pessoal e
telefones celulares, em quase tudo que se existe um microprocessador, ou um
microcontrolador ou um processador digital de sinais. O baixo custo dos microprocessadores
fez com que os processos, antes controlados por componentes analógicos, passassem a ser
controlados por sistemas digitais programáveis. Somam-se ao baixo custo outras vantagens
dos sistemas digitais, como flexibilidade e confiabilidade.
Historicamente os primeiros protótipos de processadores destinados ao processamento
digital de sinais datam das décadas de 60 e 70. Devido aos custos elevados suas aplicações
foram limitadas a somente algumas aplicações críticas. Esforços pioneiros foram feitos em
quatro áreas chaves: radar e sonar onde a segurança nacional estava em risco; exploração de
petróleo onde poderiam ser feitas grandes fortunas; exploração espacial onde os dados devem
ter uma grande precisão; e no processamento de imagens na área médica onde vidas poderiam
ser salvas.
A revolução do computador pessoal nos anos 80 e 90 causou uma explosão de novas
aplicações utilizando processadores digitais de sinais.
21
Atualmente os PDS’s são empregados em um grande número de dispositivos
eletrônicos, mas destacam-se em algumas aplicações mais comuns: telecomunicações,
processamento de áudio, processamento de imagens e instrumentação e controle.
2.3 Dataloggers
Sistemas de aquisição de dados (Datalogger) são utilizados para os registros de sinais
gerados pelo sensor. Os sinais provenientes dos sensores são, em sua maioria, analógicos.
Tais sinais, ao chegarem ao sistema de aquisição de dados, são convertidos em sinais digitais,
de forma discreta, contendo informações da amplitude ou da grandeza em questão
(HELFRICK e COOPER, 1994).
O sistema de aquisição de dados consiste de diversos elementos que o compõem,
como: condicionador de sinais (circuito divisor de tensão, amplificador operacional e outros),
dispositivo de indicação visual (monitor de vídeo, mostrador de cristal líquido ou numérico),
conversor analógico digital e registrador (memória externa, disco rígido e outros)(FARIA,
1998). Este sistema é vantajoso, pois torna flexível a manipulação dos dados, uma vez que, de
acordo com o programa desenvolvido para coletar os dados, estes podem ser tratados
conforme a natureza do dado.
2.4 Sensores
Sensores são dispositivos que variam suas propriedades sob a ação de uma grandeza
física, fornecendo um sinal que indica essa grandeza (BASTOS, 2002). Para Moreira (2007)
sensores são instrumentos que detectam e registram a radiação eletromagnética, em
determinada faixa do espectro eletromagnético, gerando informações que possam ser
transformadas em um produto passível de interpretação, seja na forma de imagem, gráficos,
tabelas ou qualquer outro produto. Pode-se considerar também que um sensor é um tradutor
de valores, geralmente não-elétrico, para um valor elétrico; este pode ser canalizado,
amplificado e modificado através de dispositivos eletrônicos. O sinal de saída pode
apresentar-se na forma de diferença de potencial e corrente elétrica (GÜTHS e De PAULO,
22
1998). Tal conjunto de características é designado pelo formato do sinal de saída. Assim, um
sensor apresenta propriedades de entrada, que podem ser de qualquer tipo, e propriedades
elétricas de saída (BOLTON, 1988). Os sensores e os sistemas de aquisição de dados possuem
características desejáveis, como: sensibilidade, precisão, faixa de atuação, estabilidade, tempo
de resposta, histerese, linearidade e outros.
Os erros ou desvios sempre representam um resultado discutível e, por esse motivo,
existe como verificar e classificar os tipos de erros que o sistema de captura está fornecendo
na leitura e no armazenamento dos dados, como: erros grosseiros, sistemáticos, instrumentais
e outros (BASTOS, 2002).
Há sempre uma tolerância proveniente da calibração e inexatidão adicionais que
ocorrem devido ao decurso do tempo e uso. Em virtude do mau trato ou de efeitos de
sobrecarga dos instrumentos, pode-se dizer, com grande convicção, que os erros de medição
são originados, muito mais vezes, mais pelo operador do que pelo próprio instrumento. Esses
erros podem ser originados de pequenas coisas, como: ajuste incorreto do zero, resistência alta
nos fios e regulagem inicial mal-feita, que podem ser classificados como erro ambiental e
aleatório.
Os sensores elétricos podem ser classificados de acordo com sua maneira de conversão
dos sinais e da natureza da saída do sinal, sendo denominados sensores passivos e sensores
ativos. Os ativos não necessitam de fonte externa de energia, enquanto os passivos sim. No
caso em que o sensor é passivo, um sistema de condicionamento de sinal é necessário para
fazer a medição. O mais comumente utilizado é o circuito divisor de tensão (HELFRICK e
COOPER, 1994). O condicionamento de sinais é a maneira que o sinal do sensor é tratado
antes da ligação com o sistema de aquisição de dados. É importante interfaciar de forma
adequada, os sinais analógicos fornecidos pelo sensor passivo, para que o mesmo possa ser
convertido em sinal digital para a aquisição dos dados (HELFRICK e COOPER, 1994).
2.5 Aplicações microcontroladas em estudos agrícolas
Um penetrógrafo foi desenvolvido por BIANCHINI et al. (2002) para operar de forma
automática e executar um ensaio de penetração com um simples toque em um botão de
partida. Ele possui um SAD que pode armazenar até 187 ensaios e uma interface de
comunicação que dispensa a conexão ao microcomputador ou um SAD externo, além de uma
23
célula de carga que serve como transdutor de grandeza física para sinais analógicos de tensão
que serão drenados pelo SAD. O SAD desenvolvido possui basicamente um microcontrolador
16F877 da Microchip Technology, um conversor analógico-digital de 12 bits modelo
ADS7824, fabricado pela Burr-Brown Corporation e para armazenamento dos dados, foram
usadas quatro memórias do tipo EEPROM (Electronic Erase and Programmable Read Only
Memory) do modelo 24LC256, fabricados pela Microchip Technology. Verificou-se que o
equipamento é de fácil manuseio e alta capacidade operacional, podendo realizar um ensaio
por minuto, além de ser totalmente automático e possuir um SAD dedicado.
Segundo SILVA JÚNIOR (2003); “o microcontrolador está revolucionando os
projetos de sistemas eletrônicos digitais e de outros sistemas que até então eram puramente
analógicos, devido à sua enorme versatilidade de hardware e software. Reúne em um só chip
vários elementos que, nos sistemas baseados em microprocessadores, eram desempenhados
por chips independentes, como RAM, ROM, temporizadores, contadores de evento, canal de
comunicação serial, portas de I/O etc. Uma das vantagens mais marcantes é que podem ter
seus programas gravados internamente, quando da fabricação do componente, impedindo sua
cópia por pessoas não autorizadas.”
CENDES et al. (2004) propuseram uma metodologia baseada no controle de pressão
nas extremidades de uma linha de irrigação por meio do ajuste da rotação de uma moto-
bomba controlada por um inversor de frequência. O sistema teve como missão principal
diminuir o gasto de energia de um elaborado controle de pressão visando a sua minimização
ao longo das linhas de irrigação.
Os dados coletados dos transdutores de pressão são enviados via radiofrequência em
Faixa Moderada para um módulo central conectado a um computador pessoal que atuará
sobre um inversor de frequência ligado a uma motobomba.
Tanto as unidades de transmissão como de recepção são compostas por
microcontroladores, modelo AT89C2051, da arquitetura 8051 da Intel, responsáveis pela
digitalização dos dados. O projeto foi testado no sistema de irrigação da fazenda experimental
da Universidade Federal de Goiás (UFG) e apresentou bons resultados quando a economia de
energia manteve bom desempenho no processo irrigatório.
MENEGATTI, FORCELLINI e MARTIN (2004) avaliaram o protótipo de um sistema
de dosagem de fertilizantes em linha por intermédio de ensaios realizados em laboratório. Foi
usado um dosador do tipo rotor acanalado que atende a duas linhas de plantio, o qual teve sua
velocidade angular regulada por meio de um microcontrolador 16F876 da Microchip
Technology e drivers de potência para acionamento. Os testes e ensaios realizados mostraram
24
que o sistema de dosagem apresentou bons resultados. Os pontos positivos identificados
foram linearidade entre vazão e velocidade angular.
TEIXEIRA e COELHO (2005) desenvolveram e calibraram um tensiômetro de leitura
automática, sendo o tensiômetro de mercúrio utilizado como padrão de comparação. Esse
equipamento diferiu do tensiômetro tradicional por substituir o manômetro de mercúrio por
sensor de pressão. Tal dispositivo gera uma saída com valor máximo de 4,5 V. O tensiômetro
eletrônico foi conectado a um SAD formado por placa de aquisição de dados contendo um
microcontrolador AMD 188, um conversor analógico/digital com onze canais, cuja resolução
é de 12 bits e comunicação serial, sendo tal placa ligada a um microcomputador portátil que
gera uma frequência de envio de dados de 5 Hz. Os sensores de pressão apresentaram
comportamento linear com testes de parâmetros de regressão, os quais indicaram a existência
de regressão a 0,1 % de significância.
FIGUEIREDO JÚNIOR et al. (2006) desenvolveram e calibraram um manômetro
digital de baixo custo e de facilidade operacional. A calibração foi realizada pela comparação
entre a equação que relaciona tensão e a pressão de um manômetro de peso morto existente no
mercado. Como elemento sensor, usou-se um transdutor de pressão, modelo MPX5700DP,
fabricado pela Motorola Inc. Para realizar a coleta dos dados, foi usada a placa Basic Step, a
qual contém um microcontrolador PIC16F628 e uma memória com interpretador da
linguagem Pbasic. Para conversão dos dados analógicos provenientes do transdutor, foi usado
um conversor analógico-digital modelo ADC0832 da National Semiconductors Company, que
possui dois canais de entrada de 8 bits. Observou-se um erro maior quando empregado a
pressões maiores, porém concluiu-se que o dispositivo pode ser uma boa alternativa quando
usado com equipamentos de baixa eficiência, como computadores de baixo desempenho, além
de apresentar um baixo custo construtivo e de manutenção.
TURUEL et al. (2006) desenvolveram um software e hardware IHM (Interface
Homem-Máquina) para controle de velocidade de motor de ventilação de ar forçado, usado
em resfriamento de produtos hortigrangeiros. O sistema foi basicamente composto por um
computador pessoal ligado a IHM desenvolvida, que por sua vez está conectada a um inversor
de frequência que atuou sobre o motor do ventilador. Um microcontrolador PIC16C63
gerenciou os periféricos usados no IHM, como display, teclado, interface serial entre um
computador e drivers de saída. Verificou-se que o IHM possuía fácil operacionalidade e o
usuário podia selecionar, pelo teclado, o tipo e a massa do produto a ser resfriado,
minimizando o gasto de energia elétrica aplicada no sistema.
25
SILVA et al. (2007) propõem a construção de um SAD para umidade relativa do ar
para ambientes de produção agrícola utilizando-se de microcontrolador de dimensões
reduzidas e de baixo custo. A calibração do sensor de umidade relativa foi realizada em três
etapas de simulação desenvolvidas em laboratório: caixas perfuradas, dissecador sem tampa
com sílica-gel em seu fundo e psicrometria. O sensor de umidade empregado foi um sensor
capacitivo e o microcontrolador responsável por processar os dados do sensor foi um Basic
Stamp II, da Paralax Inc. Os autores concluíram pelos testes que houve um melhor
desempenho em ambiente controlado, em comparação com um psicrômetro não-ventilado. O
Basic Stamp apresentou-se como uma saída viável e de baixo custo em comparação com
outro produto comercial semelhante e de mercado.
LEÃO et al. (2007) construíram um dispositivo para calibração de sensores de
umidade do solo e a determinação de suas principais propriedades, como precisão e cargas
mínima e máxima. O dispositivo consistiu em uma torre de aço, no topo da qual se montou
uma balança de braços. Em um dos braços da balança, colocou-se uma amostra de solo para a
inserção dos sensores de umidade e, no outro, uma célula de carga para medir a variação de
massa de água na amostra de solo. Foi implementado um circuito eletrônico para permitir a
interface da célula de carga com um SAD, o qual foi composto por um conversor analógico-
digital de 12 bits e onze canais, um microcontrolador AMD 188, portas seriais e um
microcomputador. Os dados foram apresentados no monitor em tempo real para visualização
e análise por parte do operador a uma freqüência de 3 Hz e gravados em arquivo de texto para
posterior análise. Nas condições em que foi desenvolvido, o dispositivo pode ser utilizado
para a calibração de sensores de umidade do solo desde que os mesmos possuam sensibilidade
para detectar variação na umidade correspondente à perda de 12,28 mL de água. A diferença
de peso entre os dois braços da balança deve permanecer entre 1,0 e 50 kg.
REINERT, COLLARES e REICHERT (2007) desenvolveram um penetrômetro de
cone com taxa constante de penetração e avaliaram a sua funcionalidade. A quantificação da
resistência foi realizada com uma célula de carga, a distância de penetração no solo com
potenciômetro, a aquisição e o armazenamento de dados por um SAD que continha um
microcontrolador PIC16F877 da Microchip Technology como elemento principal no
gerenciamento do sistema. Como o equipamento emprega velocidade constante de penetração
da haste no perfil do solo, foi possível a aquisição de grande coleção de dados relativos com
pequena variação de profundidade (5 mm), atingindo a profundidade máxima de 0,80 m. O
equipamento mostrou-se eficaz na aquisição e no tratamento de dados de resistência mecânica
do solo à penetração em profundidade do perfil.
26
QUEIROZ, BOTREL e FRIZZONE (2008) desenvolveram software e hardwares para
aplicação ao monitoramento e controle automático para a irrigação de precisão usando
sistemas do tipo pivô central. Usou-se o princípio de radiofrequência para envio de dados dos
tensiômetros para um computador. Foram utilizados três microcontroladores: um Basic Step,
modelo OEM, para a identificação da posição do pivô e envio da mesma para o computador;
outro para receber o valor do percentímetro e controlar a velocidade da última torre do pivô, e
o último para fazer o monitoramento dos tensiômetros e enviar os valores lidos nos cinco
canais do A/D, para o computador, via radiofrequência, sendo os dois últimos um Basic Step,
modelo BS1. Um software supervisório foi desenvolvido para interação do usuário. Os
resultados mostraram que tanto o software quanto os hardwares desenvolvidos apresentaram
funcionamento satisfatório, logo, fica indicado que o sistema tem potencial para aplicação
prática, porém, há a necessidade apenas de se aumentar o alcance dos sinais de rádio.
2.6 Microclima
2.6.1 Sensores de temperatura
A temperatura do ar exerce influência sobre vários aspectos da produtividade vegetal, estando
relacionada com o crescimento e desenvolvimento das plantas, devido ao seu efeito na
velocidade das reações químicas e dos processos internos de transporte. Esses processos
ocorrem de forma adequada somente entre certos limites térmicos, sendo a tolerância aos
níveis de temperatura variável entre espécies e variedades (PEREIRA; ANGELOCCI;
SENTELHAS, 2002).
No interior do ambiente protegido, ocorre um interessante processo alimentado pela
radiação solar, chamado efeito estufa, responsável pelo maior aquecimento do interior em
relação ao exterior. A radiação solar que penetra no interior do ambiente protegido, chamada
radiação de ondas curtas, é parcialmente absorvida pelo solo, plantas e objetos presentes neste
meio (estruturas metálicas, moirões, vigas de madeira, etc.), sendo parte convertida em
energia térmica, chamada radiação de ondas longas. Esta radiação térmica é irradiada para o
espaço e, ao atingir algum material opaco (como deveria ser a cobertura plástica), fica retida
neste ambiente, proporcionando uma elevação na temperatura do ar (efeito estufa). Quanto
maior a transmissividade do material de cobertura à radiação de onda curta e menor à de onda
longa, maior será o efeito estufa.
27
De acordo com Andriolo (2002), os materiais plásticos que são empregados
atualmente (ex.: PEBD) são permeáveis às radiações de onda longa e, por esse motivo, o
efeito estufa é muito pequeno com esses materiais. O ganho térmico provém basicamente da
“estocagem” da energia solar durante o dia e seu “consumo” durante a noite para retardar a
redução da temperatura. Entretanto, segundo o autor, quando existe condensação de vapor
d’água na superfície interna da cobertura, ocorre redução na transmissividade da radiação nas
duas direções, fenômeno que contribui para reduzir as perdas de energia armazenada durante
o dia, aumentando o ganho térmico no interior do ambiente protegido.
O efeito do ambiente protegido sobre a temperatura do ar está diretamente relacionado
com o seu efeito sobre o balanço de energia do ambiente, sendo desta forma, dependente de
fatores que determinam seu comportamento com relação a este balanço, como: tamanho e
formato da estufa, condições e propriedades óticas do material de cobertura, tipo de solo,
vedação das paredes e condições meteorológicas do ambiente externo.
Buriol et al. (1993), em Santa Maria e São Pedro do Sul, avaliaram a temperatura
mínima do ar no interior de três modelos distintos de estufas (Capela, Túnel Alto e Santiago)
com manejo diferenciado da ventilação. Em relação ao período total de observação da
temperatura, os resultados evidenciam que em média, os valores da temperatura mínima diária
do ar medida a 150cm da superfície do solo sempre foram mais elevados no interior das
estufas independentemente do tipo de estufa e ventilação empregadas, apesar de não haver
diferença significativa nas medidas obtidas com as estufas Capela 1 (extremidades abertas nas
horas mais quentes) e Capela 2 (metade superior das janelas laterais permanentemente
abertas). Quando houve controle na ventilação, as diferenças médias entre as temperaturas
mínimas entre o ambiente interno e externo oscilaram entre 0,8ºC e 2,3ºC. Segundo os
autores, esse resultado evidencia que a vedação das estruturas é um dos principais fatores
responsáveis pela redução das perdas energéticas do interior da estufa para o ambiente
externo, visto que, quando a ventilação ocorreu por menor tempo, as diferenças foram
maiores. Os dados mostraram também que, apesar da diferença média entre o interior da
estufa e o ambiente externo terem sido positivas, ocorreram muitos dias em que a diferença
foi negativa, ou seja, ocorreu a "inversão térmica", fato associado principalmente aos dias
com ventos fortes, que, conforme os autores, renovam constantemente a camada de ar junto à
superfície do ambiente externo, evitando que a temperatura do ar seja muito baixa. Isso não
ocorre no ambiente interno, de modo que este sofre um ininterrupto processo de resfriamento
do ar devido, tanto às perdas energéticas por radiação, quanto à condução-convecção através
do filme de cobertura. Os autores expuseram que esses resultados divergem de trabalhos
28
realizados na Europa os quais mencionam que a "inversão térmica" ocorre em noites limpas,
frias e com brisa, o que, provavelmente, segundo eles, esteja associado à baixa umidade do ar
desses locais, que dificilmente permite a ocorrência da formação de uma camada de vapor
d'água condensada na face interna do plástico, comum na região de Santa Maria, a qual
dificulta a perda de energia radiante emitida internamente na estufa. A temperatura mínima
diária do ar também foi medida a 5cm da superfície do solo, tendo apresentado sempre
valores significativamente mais elevados no interior das estufas, independentemente do tipo
de estufa e ventilação. A diferença média entre ambiente interno e externo oscilou de 1,6 a
3,1ºC e, comparativamente, foi mais elevada que a diferença das temperaturas mínimas do ar
medidas a 150cm da superfície do solo nos dois ambientes.
Farias et al. (1993b), em experimento com a cultura do feijão-de-vagem, conduzido no
Campus da Universidade Federal de Pelotas (UFPel), Capão do Leão- RS, de agosto de 1989
a janeiro de 1990, em estufa plástica tipo capela coberta com polietileno de baixa densidade
(PEBD) de 100m², orientada no sentido N - S e laterais móveis (fechadas das 18 às 8 horas),
observaram uma tendência natural de a temperatura média do ar elevar-se à medida que se
aproximou o verão, sendo de -0,6ºC a 1,1ºC a diferença entre os valores observados interna e
externamente. O maior efeito estufa foi verificado sobre as temperaturas máximas, ficando
entre 1,2ºC e 4,4ºC acima da externa (média por decêndio). Quanto às temperaturas máximas
absolutas, na maior parte dos decêndios, foram maiores internamente (entre 0,5ºC e 6,4ºC). Já
as temperaturas mínimas apresentaram valores semelhantes, obtendo-se diferenças de
temperatura mínima média por decêndio, entre os valores observados interna e externamente,
de -1,0ºC a 1,4ºC, enquanto que a temperatura mínima absoluta do ar verificada internamente
em nenhum momento foi inferior à ocorrida externamente, sendo que a diferença entre elas
variou de 0 a 4,6°C.
Camacho et al. (1995), também nas condições climáticas do Campus da Universidade
Federal de Pelotas (UFPel), com estufa do tipo “túnel alto”, comparando as médias decendiais
das temperaturas, observaram que o maior efeito da cobertura de PEBD (0,1mm de espessura)
sobre a temperatura do ar ocorreu em seus valores máximos, verificando valores superiores
em condição interna. Sobre a temperatura mínima, encontraram valores inferiores em
condição interna entre os meses de junho e outubro, inversão térmica que foi associada a
maior perda de energia do ambiente interno em noites de céu limpo e vento calmo. Isso se
deve, segundo os autores, a elevada transmissividade do PEBD à onda longa na ausência de
camada de condensação de vapor d’água, à perda de energia por processo de condução-
convecção através da cobertura, pelas aberturas existentes e pelo fluxo de calor no solo e, pela
29
inexistência dentro do ambiente interno, em decorrência do fechamento da estufa à noite, dos
movimentos horizontais e verticais de massa de ar que transportam energia térmica aquecendo
o ambiente externo por substituição e mistura de camadas de ar. Buriol et al. (1997),
analisando a influência do manejo da ventilação da estufa sobre a temperatura, em Santa
Maria (RS), utilizaram estufas tipo túnel baixo de PEBD de 100m², cultivadas com alface, e
três manejos de ventilação: abertura das laterais às 8h e fechamento às 12h (T1); abertura às
8h e fechamento às 16h (T2); manejo convencional, ou seja, abertura e fechamento
determinado de acordo com as condições meteorológicas do dia (T3). A testemunha (T4)
constou de um canteiro sem túnel (ambiente externo). Observaram que as temperaturas
médias e máximas sempre foram maiores no interior dos túneis do que no exterior, obtendo-se
diferenças de até 3ºC no período noturno. Em T1, que permaneceu mais tempo fechado, as
temperaturas foram mais elevadas. Em T3, que nos dias frios era aberto mais tarde e fechado
mais cedo e nos dias quentes aberto mais cedo e fechado mais tarde, as temperaturas tiveram
um comportamento intermediário entre T1 e T2. Segundo os autores, os valores de
temperatura média horária do ar mostraram que, no período noturno, as diferenças entre os
tratamentos foram menores do que no período diurno, indicando que a influência dos túneis
sobre a temperatura é mais importante na soma dos graus-dia do que na elevação das mínimas
diárias, evidenciando o reduzido “efeito estufa” do polietileno de baixa densidade (PEBD).
Cunha e Escobedo (2003), no município de Botucatu (SP), no cultivo de pimentão utilizando
ambiente protegido tipo arco não-climatizado orientado no sentido NNW-SSE, coberto com
PEBD de 120m² e tela plástica preta fixa nas laterais com 50% de transmissividade para a
radiação solar, observaram valores médios de temperaturas mínimas para os cultivos
protegidos ligeiramente superiores aos do campo, em torno de 0,1ºC. Segundo os autores, o
fato dos valores da temperatura mínima do cultivo protegido estarem muito próximos dos
observados no campo pode ser devido à grande transmissividade do PEBD à radiação de
ondas longas, fazendo com que haja pouco armazenamento de energia no seu interior. Com
relação aos valores máximos diários de temperatura do ar, estes foram muito superiores no
cultivo protegido em relação ao de campo ao longo do período analisado, apresentando
valores médios superiores de temperatura máxima do ar de 2,8ºC. Os autores associaram tal
resultado à inibição do processo convectivo em função da reduzida velocidade do vento, e ao
maior armazenamento de calor sensível pelo ar atmosférico no interior da estufa em função da
retenção de radiação de onda longa. Os autores ainda acrescentam que, em termos de valores
médios de temperatura do ar, tanto para as condições de cultivo protegido como de campo,
estes foram similares (0,7ºC superior para cultivo protegido).
30
Os fenômenos elétricos são suscetíveis à variação da temperatura, e esta dependência
vem sendo aproveitada para determinar o estado termodinâmico. A escolha entre vários
princípios, que podem ser aplicados à medida de temperatura, depende das limitações e custos
que cada um oferece.
Os termômetros podem ser de vários tipos como: termopares, termistores e resistência
de platina.
Os termômetros de resistência consistem num sensor com um elemento que exibe uma
mudança em resistência com a mudança da temperatura. O sensor do termômetro de
resistência é composto de um condutor metálico, ou semicondutor, cuja resistência elétrica R
se modifica de acordo com a temperatura t. Para condutores metálicos, em faixa limitada de
temperatura, é válida a relação expressa pela equação 1:
Rt = R0 . (1 + α
. t + β
. t²) (1)
Onde:
Rt = resistência proporcional à temperatura “t”;
R0 = resistência à temperatura de 0ºC;
α = coeficiente de temperatura do material;
β = coeficiente de correção do material.
Normalmente são empregados dois tipos de sensores: detector de resistência de
temperatura (RTD) e termistores. Os RTD’s são sensores formados de metais como: platina,
níquel ou uma liga de cromo-níquel. Esses materiais exibem um coeficiente positivo de
resistência e são usados nos RTD’s por serem estáveis em leitura de temperatura por longos
períodos. Os termistores são termômetros fabricados com materiais semicondutores como:
manganês, níquel e cobalto. Estes materiais exibem um coeficiente negativo de resistência.
Em algumas aplicações de alta precisão o silício ou germânio são utilizados na confecção de
termistores.
Termopar é o nome dado à combinação de dois fios de metais diferentes que tem a
seguinte propriedade: quando eles são unidos para completar um circuito e uma das junções é
mantida a uma temperatura mais alta que a da outra, uma corrente circula no circuito. Esse
princípio é usado na medição da temperatura; uma junção é colocada no ponto onde a
temperatura deve ser medida e a outra junção é colocada onde a temperatura é conhecida ou
pode ser mantida em valor fixo. Os fenômenos elétricos são suscetíveis à variação da
31
temperatura, e esta dependência vem sendo aproveitada para determinar o estado
termodinâmico. A escolha entre vários princípios, que podem ser aplicados à medida de
temperatura, depende das limitações e custos que cada um oferece. Os termopares são os
termômetros de confecção mais simples. São do tipo analógico e podem ser conectados por
ligação diferencial ou simples.
Em meteorologia, com relação à temperatura, é comum utilizar as expressões
temperatura do ar à superfície e temperatura do ar à sombra, que são usadas de modo
equivalente, para traduzir a temperatura atual em um ponto da atmosfera próximo à superfície
da Terra (VAREJÃO, 2006).
Uma maneira de aferir a temperatura do ar é por meio da variação da resistência de
metais, que é causada pela transferência de calor com o meio.Possibilitando assim a
verificação desta variação por meio do fluxo de energia nesta resistência. Medidas de
temperatura com exatidão e boa precisão se fazem necessárias em muitos sistemas de
instrumentação e controle de processos. Entretanto, devido às respostas não lineares e a baixa
amplitude nas saídas dos sensores torna-se necessário o condicionamento dos sinais, seja
amplificado ou compensado às não linearidades antes de qualquer outro processamento
adicional (SILVA, 2009).
Existe atualmente um grande número de transdutores de temperatura integrados à
ADC´s de alta resolução para disponibilizar saídas digitais. A linearização e calibração são
executadas de forma digital, reduzindo-se o custo e a complexidade na utilização destes
circuitos (KESTER, 2004). Outros tipos de sensores de temperatura apresentam função de
transferências não lineares exigindo circuitos relativamente complexos para compensar estas
não linearidades, requerendo resistores de precisão e de calibração manual para proporcionar
a exatidão desejada (SILVA, 2009).
Geralmente, quando as saídas analógicas dos sensores são processadas por sistemas
digitais, há a necessidade de condicionamento do sinal para que os sinais provenientes dos
sensores sejam adequados às características do conversor analógico digital (SILVA, 2009).
Assim, com o emprego de microcontrolador no controle de processos, o valor
analógico convertido para digital pode ser manipulado pelo software de controle de acordo
com decisões lógicas baseadas em comparações. Pode-se também executar operações
matemáticas que definam as funções de controle.
Termopar
Um termopar consiste na junção de dois fios de metais diferentes. Quando a junção é
aquecida, gera-se aos terminais dos fios uma pequena tensão termo-iónica que é diretamente
32
proporcional à temperatura. Este efeito denomina-se de efeito Seeback e a tensão gerada é a
tensão de Seeback, (eAB) (Figura 1). A força eletro-motriz é produzida por contato de dois
metais diferentes e é função da temperatura da junção.
Figura 1. Tensão de Seeback, eAB.
Se este circuito for fechado unindo os pólos da junção colocada a uma temperatura
diferente, circulará uma corrente, tal como ilustrado na Figura 2. A intensidade da corrente é
dada pela função da diferença de temperatura das duas junções e dos tipos de metais
utilizados nos condutores.
Figura 2. Efeito de Seeback.
Geralmente, a temperatura de uma das junções é fixa e conhecida servindo de
referência (T1=TREF). A temperatura da outra junção, T2, é a temperatura que se pretende
medir. Se a junção J1 está a uma temperatura conhecida, geralmente a temperatura de fusão
do gelo, a corrente térmica pode ser calibrada em termos da temperatura da junção quente T2.
Como a medição da temperatura é feita ao nível da junção, as dimensões do termopar podem
ser bastante reduzidas o que permite a leitura de temperaturas pontuais e a obtenção de
respostas rápidas devido à sua reduzida massa térmica.
Pelo simples fato de que dois condutores metálicos distintos quando unidos criam um
novo circuito termoelétrico, o processo de medição não é direto. A ligação de um voltímetro
ao termopar origina duas novas junções. Um dos métodos usados para cancelar o erro devido
a termopares indesejáveis consiste em utilizar um bloco isotérmico para que as forças
33
eletromotrizes (f.e.m.) criadas nos contatos se cancelem mutuamente, conforme ilustrado na
Figura 3. Neste caso, a tensão lida pelo voltímetro será V ≅ α(T2 - TREF), onde V é a tensão
termoelétrica e o coeficiente de Seeback do termopar considerado em V/ºC.
Figura 3. Cancelamento do erro devido à ligação com um voltímetro.
A junção que se encontra à temperatura de referência gera uma tensão que pode ser
simulada eletronicamente usando um circuito denominado de referência eletrônica do ponto
de gelo.
A Tabela 1 mostra as características de alguns termopares padrão. Pode ser visto que a
variação média da tensão com a temperatura varia geralmente entre 7 à 68 μV/°C.
Tabela 1. Comparação de alguns termopares padrão.
Um dos grandes inconvenientes do termopar deve-se ao fato de exigir que a
temperatura da junção de referência seja perfeitamente conhecida. Toda a incerteza sobre TREF
causa uma incerteza da mesma ordem sobre a temperatura desconhecida TX.
Por outro lado, o fato do termopar funcionar como gerador de f.e.m., e logo não
necessitar de uma fonte de corrente de alimentação, evita a ocorrência de erros provocados
por auto-aquecimento. Além do mais, a relação temperatura-tensão de um termopar não é
34
linear. As tensões de saída para os termopares mais comuns, traçadas em função da
temperatura, encontram-se na Figura 4.
Figura 4. Característica tensão-temperatura de alguns termopares.
A relação entre a temperatura e a tensão gerada por um termopar pode ser aproximada
por uma expressão polinomial do tipo:
(2)
Onde T[ºC] é a temperatura, E[V] a força eletromotriz gerada pelo termopar, os coeficientes
polinomiais únicos para cada termopar e “n” a máxima ordem do polinômio para determinado
erro. A Tabela 2 mostra os coeficientes dos polinômios de alguns termopares. Observe-se que
um termopar do tipo E, para um erro máximo de 0,5ºC, o polinômio é de grau 9.
Existem no mercado circuitos eletrônicos dedicados que fazem a compensação
eletrônica da junção fria, fornecendo um nível de referência artificial e compensado para
variações da temperatura ambiente na junção de referência. Além disso, estes contêm um
circuito de linearização e um amplificador do tipo “chopper-stabilized” para efectuar o
escalonamento da tensão de saída. Porém, esta instrumentação dedicada apresenta um custo
acrescido.
35
Tabela 2. Coeficientes polinomiais de alguns termopares.
Na Tabela 3 apresenta-se um quadro comparativo das vantagens e desvantagens dos
termopares.
Tabela 3. Vantagens e desvantagens dos termopares.
36
6.4.2 Sensores de umidade relativa do ar
A umidade do ar influencia a demanda evaporativa da atmosfera e, por conseqüência, o
consumo de água das culturas; é um elemento de importante controle no ambiente protegido,
pois tanto valores muito baixos quanto muito altos de umidade dentro desse ambiente são
prejudiciais ao desenvolvimento das culturas. O excesso de umidade dentro do ambiente
protegido provoca, por exemplo, dentre outros fatores, a redução na transmitância da radiação
solar devido à condensação de vapor d’água na face interna do filme plástico, afetando
negativamente a disponibilidade de energia para as plantas; interfere na transpiração da
plantas, alterando seu desenvolvimento bem como favorece o surgimento de moléstias tanto
na parte aérea como nas raízes. Conforme Fontes e Silva (2005), a faixa de umidade relativa
do ar aconselhada para a maioria das espécies olerícolas está em torno de 60% a 80%.
De acordo com Buriol et al. (2000), a variação da umidade do ar no interior das estufas
depende principalmente da temperatura do ar e da ventilação, sendo que, por sua vez, a
temperatura do ar varia principalmente em função da densidade de fluxo de radiação solar
incidente e da própria ventilação, a qual depende da área, localização e manejo das aberturas e
da velocidade de troca do ar do interior com o exterior. Assim, a umidade relativa do ar no
interior das estufas no período diurno diminui nas horas em que a temperatura do ar encontra-
se em elevação, atingindo, muitas vezes, valores inferiores aos verificados no exterior. No
período noturno, em função da queda de temperatura, ocorrem valores de umidade relativa do
ar elevados, freqüentemente próximos a 100%. De acordo com Martins et al. (1999), a
umidade relativa do ar dentro do ambiente protegido pode variar, no período de 24 horas, de
30% durante o dia a 100% durante a noite. Farias et al. (1993b) observaram, no início do
experimento, quando a cultura estava pouco desenvolvida, que os valores internos de umidade
relativa do ar foram inferiores aos observados externamente, ocorrendo, em seguida, um
período de equilíbrio entre os dois ambientes. Após o sétimo decêndio, os valores internos
mostraram-se superiores aos observados externamente. Neste período, a cultura bastante
desenvolvida liberou maior volume de água pela transpiração e, também, pela maior
freqüência de irrigação (devido ao maior consumo de água pela cultura), provocando um
aumento da tensão de vapor d'água interna e, conseqüentemente, da umidade relativa do ar no
interior da estufa, acentuada pela pequena renovação da massa de ar. Em geral, observaram
valores muito próximos (média por decêndio) de umidade relativa do ar internamente e
externamente ao plástico. No entanto, verificaram as maiores médias das máximas e as
menores médias das mínimas no interior da estufa, diferindo em média, respectivamente, 2,2 e
37
5,8% dos valores observados externamente. Desta forma, observaram que a estufa plástica
aumentou a amplitude diária da umidade relativa do ar, mas não alterou significativamente os
valores médios.
Buriol et al. (1997) verificaram que tanto a umidade relativa mínima média quanto a
umidade relativa mínima absoluta ocorrida em cada dia do período experimental foram mais
elevadas sob os túneis do que no ambiente externo. As diferenças entre os diferentes
tratamentos com túneis foram pequenas; porém, os valores de umidade relativa do ar para
cada horário foram mais elevados no interior daqueles que se encontravam fechados no
momento da medida. Com relação à umidade relativa média, esta também foi maior
internamente e, segundo os autores, principalmente devido ao alto valor da pressão parcial de
vapor, à baixa renovação de ar e também à umidade do solo geralmente mais elevada no
interior das estufas, fazendo com que a pressão atual de vapor permaneça mais elevada nestes
microambientes, mesmo nos momentos de ocorrência de altas temperaturas.
Em Santa Maria - RS, Buriol et al. (2000) determinaram as diferenças entre a umidade
relativa do ar no interior e no exterior de estufas plásticas com cultivo de tomateiro. Os
resultados mostraram que a umidade relativa do ar média foi superior no interior das estufas
em relação àquela do exterior em todo o período noturno e no período diurno, só foi inferior
àquela do exterior nas horas do dia em que ocorre elevação da temperatura do ar, no período
entre 8h e 14h, aproximadamente. Entretanto, nos meses de inverno, quando as temperaturas
do ar são mais baixas e os dias mais curtos, nos dias frios e nublados, quando as estufas são
mantidas fechadas todo o dia e/ou abertas mais tarde e fechadas mais cedo, a umidade relativa
do ar no interior das estufas geralmente permaneceu mais elevada do que aquela do exterior
durante todo o período diário. Observaram, também, que a pressão atual de vapor foi mais
elevada no interior do que no exterior das estufas, mesmo quando a umidade relativa do ar no
interior foi menor do que no exterior e que o manejo das aberturas das estufas afeta
significativamente os valores da umidade relativa do ar.
Sousa et al. (2002), em Botucatu, SP, em pesquisa com o cultivo de pimentão,
conduzida em ambiente protegido tipo arco não-climatizado tendo nas laterais malha preta de
polipropileno com redução de 50% da radiação solar, objetivando avaliar o efeito de dois
tipos de cobertura plástica, polietileno difusor de luz espessura de 150μm (P150d) e
polietileno transparente de 120μm (P120), sobre as condições microclimáticas internas desse
ambiente, observaram que, nos ambientes protegidos cobertos com P150d e P120, as médias
de umidade relativa do ar mínima, máxima e média, apresentaram valores mais baixos em
relação à condição de cultivo a campo. Isso foi associado ao aumento da temperatura do ar no
38
interior do ambiente protegido, devido à pequena renovação do ar nessa condição de cultivo,
que favoreceu a retenção de energia pelo polietileno e reduziu, conseqüentemente, a umidade
relativa do ar. Os valores da umidade relativa mínima e média do ar, obtidos para o ambiente
protegido com cobertura de P150d com relação ao cultivo a campo, foram menores em 7% e
5%, respectivamente, quando comparados com os obtidos para o P120, o que se atribui,
segundo os autores, aos maiores valores da temperatura máxima e média do ar obtidos para o
P150d.
Silva et al. (2000), Cunha e Escobedo (2003) e Guiselini e Sentelhas (2004)
obtiveram, em seus respectivos experimentos, valores de umidade relativa máxima e média do
ar no interior da estufa plástica, similares aos obtidos a campo. Para a umidade relativa do ar
mínima, encontraram menores valores dentro da estufa do que a campo, o que foi associado
aos maiores valores de temperatura máxima ocorridos dentro da estufa.
Uma maneira de se medir a umidade relativa do ar é através de alterações produzidas
por ela nas características elétricas de componentes inseridos em circuitos apropriados, e estes
componentes podem ser do tipo cristal, resistores ou capacitores (SPINOLA, 2005).
Classicamente a umidade relativa é medida utilizando-se um psicrômetro, este
aparelho é constituído por dois termômetros idêntico. Um dos termômetros trabalha com o
bulbo seco e o outro com o bulbo úmido (DOEBELIN, 1990).
Outro método conhecido é o resistivo, que utiliza alumínio revestido por filme de
óxido de alumínio. A estrutura desse filme apresenta poros cujo preenchimento por gotículas
de vapor de água produz alteração do valor da sua resistência ôhmica (SPINOLA, 2005). Esta
variação da resistência elétrica do material pode ser medida através de um circuito em ponte.
Entretanto estes sensores possuem limitações à sua utilização em ambientes onde pode
ocorrer a condensação, não trabalhando em nível de umidade relativa de 20%. Além disso,
não possuem a mesma estabilidade dos sensores tipo capacitivos (SENSIRON, 2005).
Neste trabalho utilizou-se o método capacitivo, este método baseia-se na alteração das
características do dielétrico pela umidade relativa. Ao utilizar como dielétrico um polímero
que absorve ou libera água de maneira proporcional à umidade relativa do ambiente, este
dielétrico irá apresentar a alteração da sua capacitância que poderá ser medida por um circuito
eletrônico, que possibilita determinar o valor da umidade relativa do ambiente (SENSIRION,
2005).
39
2.7 Cultivo em ambiente protegido
Os primeiros experimentos da Embrapa com hortaliças em cultivo protegido foram
feitos em 1980. Ao longo dos anos, tem aumentado o número de instituições de pesquisa que
desenvolvem trabalhos nesses locais. No entanto esse aumento ainda representa muito pouco
frente ao potencial de crescimento dessa atividade, tanto em termos de regiões exploradas no
país quanto a culturas envolvidas, bem como a fatores de produção. Relacionados aos fatores
de produção, nota-se que ainda são poucos os trabalhos ligados à irrigação nesse tipo de
ambiente.
Dentre as hortaliças mais cultivadas em ambiente protegido no Brasil, destacam-se o
pimentão, a alface, o tomate e o pepino (VECCHIA; KOCH, 1999). No cultivo protegido, as
principais finalidades, quando sob estrutura de proteção, são de anular os efeitos negativos das
baixas temperaturas, geada, vento, granizo, excesso de chuva, bem como de encurtar o ciclo
de produção, e ainda de aumentar a produtividade e de obter-se produtos de melhor qualidade
(SGANZERLA, 1995). Esse mesmo autor afirma ainda que se podem conseguir mais safras
que no ambiente externo.
O uso dessa tecnologia, no entanto, apresenta algumas limitações. Uma delas é a
exigência de irrigação, já que é a única forma de repor a água consumida pela cultura.
Cultivos realizados em ambiente protegido distinguem-se dos sistemas de produção a céu
aberto, principalmente pelo uso intensivo do solo e controle parcial de fatores ambientais.
Assim, o manejo adequado do sistema água - solo - planta - ambiente é de fundamental
importância para o sucesso de empreendimentos neste sistema de produção (CARRIJO et al.,
1999). Zambolim et al. (1999) afirmam que a temperatura do ar e do solo e a umidade do ar
são maiores em ambiente protegido. Scatolini (1996) relata um maior efeito da cobertura
plástica sobre as temperaturas máximas, com valores variando de 1,2°C a 4,4°C acima das
observadas externamente. Esse pesquisador obteve uma diferença média de 4,3°C entre a
temperatura máxima interna e a externa sendo maior no interior da casa de vegetação. Ele cita
trabalhos em que a temperatura média do ar é maior no interior da casa de vegetação e outros
em que não houve diferenças significativas. Tal fato pode estar relacionado aos locais onde
foram desenvolvidos os trabalhos e ao aspecto construtivo da casa de vegetação.
Evangelista e Pereira (2001) obtiveram ligeira diferença entre as temperaturas e
umidade relativa do ar no interior e na parte externa de uma casa de vegetação em Lavras.
Tanto a temperatura máxima do ar quanto a média e a mínima foram maiores no interior da
40
casa de vegetação. Entretanto, os valores de umidade relativa média e mínima foram
inferiores no interior. Eles justificaram essas diferenças como sendo devido à interrupção do
processo convectivo pela cobertura plástica, o que impedia as trocas de ar com a parte externa
da casa de vegetação.
Vasquez et al. (2005) observaram acréscimo de 0,99ºC no valor médio da temperatura
do ambiente protegido em relação ao ambiente externo. O autor explica que essa diferença já
era esperada devido à interrupção do processo convectivo pela cobertura plástica, que impede
a passagem do ar quente para o exterior; além disso, deve-se considerar o menor volume de ar
a ser aquecido. Já a umidade relativa interna manteve-se aproximadamente constante e menor
que a do meio externo, em função da não-interferência advectiva de correntes de ventos.
41
3 MATERIAL E MÉTODOS
3.1 Área Experimental
O experimento foi realizado no período de Março à Maio de 2011, conduzido na área
experimental do Departamento de Ciências Ambientais da Universidade Federal Rural do
Semi-Árido, Mossoró, RN (5° 11’ S, 37° 20’ W e 18 m) em um ambiente protegido de 192 m2
(12 m x 16 m).
Segundo a classificação de Köppen, o bioclima da região é do tipo BSwh’, com
temperatura média anual de 27,4 °C, precipitação pluviométrica anual bastante irregular, com
média de 672,9 mm, e umidade relativa de 68,9 % (CARMO FILHO et al., 1991).
O ambiente protegido utilizado foi do tipo capela com pé direito de 3,0 m, 12,0 m de
comprimento e 16,0 m de largura, coberta com filme de polietileno de baixa densidade com
aditivo anti-ultra violeta e espessura de 150 micras, protegida nas laterais com malha negra.
3.2 Equipamentos de referência
3.2.1 Termopar
O termopar por ser de fácil manuseio e de boa confiabilidade sérvio de referência nas
coletas de dados de temperatura. Este por sua vez foi instalado a uma altura de
aproximadamente 2,00 m, tendo como protetor da radiação solar direta o mesmo suporte do
sensor HMP45C, ver figura 5.
3.2.2 Sensor de Temperatura e Umidade Relativa do ar
Foi utilizado um Termohigrômetro (HMP45C. da Vaisala, Inc.m Helsinki, Finland)
conforme Figura 5, que forneceu os valores de temperatura e umidade relativa do ar.
42
(A) (B)
Figura 5. Termohigrômetro instalado em seu suporte (A) e termohigrômetro em seu desenho
esquemático (B).
3.3 Monitoramento dos dados
O monitoramento da temperatura do ar foi realizado por meio de termopar de Cu-Co
de bulbo seco e o HMP45C, sendo instalados em cultivo protegido, tomando-se como
temperatura referência um sensor termopar de Cu-Co a 2 m do chão.
Esses sensores foram introduzidos em microabrigos em acrílico com boa aeração
natural e protegido contra a radiação direta e parte da difusa, conforme Figura 6. Esses
microabrigos foram fixados em mourão 7 cm de diâmetro introduzida perpendicularmente à
superfície do solo, permitindo assim obter medidas de 2 metros de altura dos sensores.
Os microabrigos de acrílico foram instalados equidistantes um do outro, com uma
distância de 1,0 m entre eles, sendo instalado à 2,0 m de altura, contendo no seu interior, os
sensores.
43
Figura 6. Microabrigo psicrométrico instalado na área experimental.
De acordo com a primeira Lei Termoelétrica a força eletromotriz (e) de um termopar
depende somente da natureza dos condutores e da diferença de temperatura entre as junções
de contato. Assim, a temperatura de um meio qualquer poderá ser obtida segundo a expressão:
ε = k(Tar - Tref ) (3)
Onde ε é a força eletromotriz gerada pelos termopares em mV; k a constante termoelétrica que
depende do tipo de termopar em mV.° C
-1, neste caso para o termopar Cu-Co é de 41 mV.
° C
-1;
Tar a temperatura a qual deseja-se medir em ° C; e Tref a temperatura de referência em
° C.
Foi instalado um sensor modelo HMP45C, em ambiente protegido. Esse sensor
forneceu as medidas de temperatura do ar em °C e de umidade relativa do ar em %, a 2 metros
de altura. O sensor HMP45C possui abrigo para evitar chuva e radiação direta no sensor,
mostrado também na Figura 6.
Para a coleta dos dados médios a cada10 minutos, de temperatura e umidade relativa
do ar pelo modelo HMP45C e das temperaturas de bulbo seco (termopares Cu-Co), foi
utilizado um “Datalogger CR10X” da Campbell Scientific, Inc e um circuito eletrônico
construído (SAD). Tanto o sensor HMP45C quanto os termopares Cu-Co foram conectados
44
aos terminais do “Datalogger CR10X” e ao SAD construído, gerando sinais analógicos em ºC
para temperatura e em % para umidade relativa.
A verificação do funcionamento do sensor HMP45C foi feita através de correlações
entre o termopar Cu-Co e o sensor comercial de temperatura e umidade relativa do ar, nas
condições de ambiente protegido, utilizando-se de regressão linear simples e o método de
avaliação de modelo matemático MSD, sendo que o grau desses ajustes foram medidos
através do coeficiente de determinação (R²) e por meio dos coeficientes linear (a) e angular
(b), assim como os parâmetros MSD, SB, NU e LC, os quais traduzem a exatidão, máxima
quando a=0 e b=1, e a precisão, máxima quando R² tende a 1.
Para a verificação do funcionamento do SAD construído, nas condições de ambiente
protegido, foi feita uma comparação de suas medidas obtidas com as do datalogger da
Campbell (CR10X) utilizando um sensor resistivo para a temperatura e capacitivo para a
umidade relativa (Vaisala, modelo HMP45C), apesar desse sensor não ser a melhor referência
para essas comparações, pois apresenta problemas em condições de elevada umidade relativa,
relatados por MARIN et al. (2000).
3.4 Sistema de aquisição de dados (SAD) construído
3.4.1 Configuração e microcontrolador
O SAD proposto foi desenvolvido a partir de duas concepções construtivas: uma de
software e outra de hardware. No que se refere ao desenvolvimento de software foi destinado
a rodar em plataforma Microsoft Windows, também conhecido como Aplicação Desktop. O
desenvolvimento do hardware e do software foi todo realizado no laboratório particular da
EGM, localizado na cidade de Mossoró – RN.
A concepção de hardware baseia-se em vários dispositivos eletrônicos – como
microcontroladores, oscilador e max232 - cada qual com sua funcionalidade e características
eletroeletrônicas.
Para a construção do Equipamento de Aquisição de Dados foi desenvolvido um
Datalogger, contendo um microcontrolador, e uma saída de comunicação serial padrão RS-
232, tendo a sua forma de composição representada pelo diagrama da Figura 7.
45
Figura 7. Diagrama esquemático dos principais elementos do Datalogger.
O módulo do SAD responsável por converter os sinais analógicos provenientes dos
sensores é o Módulo Analógico. O Módulo Analógico possui Quatro canais analógicos de
leitura, cada um deles endereçado a um sensor e ao sinal de saída do circuito divisor de tensão
presente no Módulo de Alimentação.
3.4.2 Firmware do Datalogger
Tratando de um microcontrolador, que contem componentes externo a ele, é
importante para seu funcionamento, dispor de um programa em sua memória interna para
ajustar e configurar seus dispositivos de forma a tratar os sinais de entrada e saída de maneira
automática.
Estes conjuntos de informações definem como irão funcionar suas portas de entradas e
saídas (I/O), o seu tempo de resposta aos comandos e a forma de tratamentos desses sinais.
Para tanto, com auxilio de um compilador da linguagem C e de bibliotecas do
microprocessador, são compilados os comandos e instruções, gerando como resultado, um
arquivo do tipo hexadecimal, denominado firmware.
Através de um gravador compatível com o chip PIC 16F877A é possível enviar e
armazenar um programa, este deve estar em linguagem de máquina (ARQUIVO HEX) na
memória flash interna do microprocessador, em endereço predefinido pelo fabricante.
3.5 Datalogger (CR10X – Campbell)
46
O Datalogger CR10X é um coletor de dados, sendo programável e construído em um
módulo metálico de alta rigidez mecânica e elétrica. O acesso à programação e controle é
feito através de periféricos, como módulo de teclado/display CR10KD (Figura 8) ou via
comunicação serial (interface ou modem) com o auxilio de um computador.
O datalogger tem por finalidade armazenar informações de sensores conectados aos
seus terminais. O processo de aquisição de dados pode ser obtido, pela leitura de seus valores,
ou calculado e processado conforme as regras estabelecidas na sua programação.
Os terminais podem ser utilizados, côo saída de dados conforme o modelo do
datalogger, para controlar dispositivos eletroeletrônicos externos ao equipamento.
(A) (B)
Figura 8. Visão das partes do Datalogger (A) e do seu periférico teclado /display(B). (Manual
do CR10X, 2010)
3.5.1 Especificações e características do datalogger
O datalogger CR10X (manual do CR10X) possui 12 entradas analógicas simples (SE1
a SE12) programáveis ou 6 entradas analógicas diferenciais (DIFF1 a DIFF6); 3 saídas de
47
excitação programáveis (E1 a E3); 2 entradas de pulsos (p1 a P2); 8 portas (entrada ou saída)
digitais de controle (C1 a C8); tensão de alimentação 12Vcc (9,6 a 16Vcc); terra analógico;
saídas de 5V; capacidade de memória (128KB a 2MB); uma porta de comunicação serial
(Tipo DB9 – necessita de interface).
O CR10X possui um painel de ligação (Wiringpanel) com os terminais para a conexão
dos sensores, alimentação e comunicação externa. Este painel também proporciona proteção
contra transientes de sobre tensão e polaridade reversa (Figura 9).
Figura 9. Painel de conexão do datalogger (Manual do CR10X, 2010)
Os terminais denominados 1H até 6H e até 6L (Figura 9) são utilizados para medir a
tensão de saída de sensores, tais como termopares, psicrômetros, piranômetros, sensores PAR.
As letras H e L se referem às entradas de sinais, identificados como sinal alto (high) e
sinal baixo (low) utilizado em canais diferenciais (DIFF) de 1 a 6. Nas leituras diferenciais, a
tensão analógica é medida de uma entrada H em relação a sua respectiva entrada L, formando
um “canal diferencial”. Para medidas do tipo absoluto ou “single ended” (SE), cada uma das
entradas H ou L é considerada um canal independente, que mede as tensões com relação ao
sistema terra analógico (AG).
Os canais SE são numerados seqüencialmente, sendo os canais 1 e 2 respectivamente
os terminais H1 e L1, logo os canais 3 e 4 são o H2 e L2 e assim sucessivamente até os canais
11 e 12, que são o H6 e L6.
As saídas de excitação chaveadas (E1 a E3) fornecem tensões para multiplexadores,
podendo alimentar divisores de tensão ou pontes resistivas em corrente AC ou DC.
48
As entradas de pulsos (P1 e P2) são usadas como leitores de tensão temporária. Estas
entradas ou canais são utilizados para contar o número de ciclos por período de sinais do tipo
pulsado, normalmente utilizado com anemômetros, pluviômetros, medidores de fluxo e
fechamento de chave ou sinais alternados (senoidais).
As portas digitais de controle (C1 a C8) são utilizadas para medir o status de um
dispositivo externo como testes de níveis lógicos digitais de tensão (High / Low). Elas
também podem ser configuradas como saídas para controlar multiplexadores, sinal de
referência de termohigrômetro e também outros periféricos. As Portas (C6 a C8) também
funcionam como portas de pulsos.
O Datalogger é alimentado por uma fonte de 12VCC, operando entre 9,6V a 16VCC.
Os terminais adicionais de 12V e G podem ser usados como fonte de alimentação para outros
periféricos. O terminal de 12V chaveado (SW 12V CTRL) pode ser “ligada” ou “desligada”
de acordo com o programa de controle.
Os dois terminais de 5V fornece saída de tensão com tolerância de ± 0.2% para
alimentação de periféricos externos, interfaces ou alguns tipos de sensores que trabalham
nesta faixa de tensão (em geral, circuitos eletrônicos digitais). Possui um limite de corrente de
200 mA.
A conexão ao aterramento é utilizada para proteção do Datalogger e os sensores contra
descargas eletrostáticas.
A comunicação com o Datalogger é feita através de sua porta serial, do tipo DB9 de 9
pinos, com qualquer equipamento que suporte tal método, como módulo de memória,
teclado/display, ou através de interfaces específicas para computador.
3.5.2 Software do datalogger
O fabricante fornece uma ferramenta de desenvolvimento proprietária para a
confecção dos sistemas que serão executados no Datalogger. O CR10X trabalha com os
softwares para desenvolvimento PC208W e LOGGERNET, executável em ambiente
Windows, sendo compatíveis com padrão de arquivos CSV1.
49
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os principais componentes do SAD construído são: PIC 16F877A , o regulador de
tensão LM 7805, o CI de comunicação MAX 232 , os demais são componentes discretos ,
resistores , capacitores , leds , diodos e outros.
Figura 10. PIC 16F877A
O microcontrolador usado para o experimento foi o PIC 16F877A (figura 10), é um
circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc.. Ele foi usado para o
experimento porque possui portas analógicas para ler os dados do sensor, além de possuir a
comunicação serial USART, para se comunicar com o supervisório, e possui saídas PWM,
que são saídas que possuem uma resolução de 10 bits para conversão em valores analógicos
de tensão que variam de 0 a 5V.
Figura 11. Regulador de tensão
O regulador de tensão (figura 11) mantêm a tensão de saída constante (estabilizada)
mesmo havendo variações na tensão de entrada ou na corrente de saída.
50
Os reguladores de tensão podem ser implementados com componentes discretos
ou podem ser obtidos na forma de circuito integrado (C I ). Os reguladores de tensão na forma
de C.Is são mais precisos e tornam o circuito mais compacto pois ocupam menor espaço.
Tem-se vários tipos de reguladores de tensão, dentre os quais podemos citar os CIs da
série 78XX para tensão positiva e os da série 79XX para tensão negativa.
Nota: As funções dos pinos 1 e 2 da série 79XX são trocadas em relação à série 78XX
Nos reguladores 78XX, o pino 1 é a entrada e o pino 2 é o comum (ligado ao terra).
Nos reguladores 79XX, o pino 2 é a entrada e o pino 1 é o comum (ligado ao terra).
O pino 3 é a saída tanto para o 78XX quanto para o 79XX.
Figura 12. Alguns componentes discretos utilizados no SAD construído (resistores, RS 232,
Max 232).
51
Figura 13. MAX 232.
O MAX 232 (figura 13) é um circuito integrado conversor de nível, que converte
sinais TTL em RS232 e virse-versa. Ele fornece uma ótima rejeição de ruído e é mais robusto
à descargas e curtos. Se o seu projeto for mais avançado, você deve utilizar um CI
especializado para esta tarefa. No entanto, soluções especializadas são mais caras que as
outras.
52
Figura 14. Placa PCI.
Foi utilizada para experimento uma placa de circuito impresso, da EGM tecnologia,
que tem as seguintes características:
- Tensão de alimentação - 12 a 18 V;
- 4 entradas analógicas de 4 a 20 mA;
- 4 entradas analógicas de 0 a 5 V;
- 3 entradas isoladas digitais;
- 2 entradas digitais nativas de PIC;
- 1 Relógio interno;
- Suporte a Lcd display;
- Suporte de gravador de cartão SD;
- Saída IC;
- 2 saídas pwm;
- 4 entrada de botões, prontas;
- 2 saídas analógicas extras;
- 1 saída auxiliar a transistor.
A Figura 15 mostra os valores médios de um dia de temperatura obtidos pelo sensor
HMP45C (Vaisala) coletados pelos SAD’s (construído e Campbell), para ambiente protegido.
Observa-se um comportamento idêntico entre a temperatura do ar, bem como pela umidade
relativa do ar, nos dois SAD’s. As encontradas nas leituras dos dois SAD’s analisados foram
maiores para a temperatura do ar, apresentando valores médios de 27,70285 e 28,04303oC o
Datalogger CR10X e o SAD construído, respectivamente. Os valores médios encontrados
53
para a umidade relativa do ar foi de 68,5841 e 68,58433%, respectivamente para o Datalogger
CR10X e o SAD construído.
(A)
(B)
Figura 15: Valores médios de um dia da temperatura (A) e umidade relativa do ar (B) para o
sensor HMP45C, coletados por um datalogger CR10X da Campbell e um SAD
construído, para o ambiente protegido. Mossoró, RN, 2011.
Na Figura 16 pode ser visto a correlação entre as leituras obtidas de temperatura do ar
e umidade relativa do ar, entre os dois SAD’s. Observa-se que a correlação entre os valores
encontrados são bem elevados, em que a temperatura do ar obteve R² de 0,9915 e a umidade
relativa do ar um R² de 0,9997. Isto mostra que a correlação de temperatura do ar entre os dois
SAD’s é menor que a umidade relativa. Também pode ser visto pelos valores dos coeficientes
angulares da equação linear obtida que a temperatura obtida pela Datalogger CR10X é menor
que a do SAD construído, quando se utiliza o sensor HMP45C da Vaisala.
54
(A)
(B)
Figura 16: Correlação entre os valores de temperatura do ar (A) e umidade relativa do ar (B)
obtidos a partir do SAD construído e do datalogger (10X), utilizando o sensor
HMP45C, para as condições de ambiente protegido. Mossoró, RN, 2011.
Nota-se, portanto, que o SAD construído efetuou boas e precisas leituras do sensor
modelo HMP45C, para a temperatura e umidade relativa do ar, em concordância com o
datalogger CR10X..
Em se tratando do sensor termopar, na Figura 17 observa-se a equação de calibração
que relaciona tensão e temperatura do termopar coletada pelo SAD construído. Verifica-se
que a correlação entre os dados foi muito elevado com valor de R2 de 0,9927, isto é a
variação de temperatura em função da tensão é linear e crescente,e que estas podem ser
obtidas pelo SAD construído com alta precisão, demonstrando uma dispersão não
significativa, podendo ser considerado como ótimo para o monitoramento de temperatura na
irrigação.
55
‘
Figura 17. Equação de calibração da diferença de potencial elétrico (ddp) ou tensão (em
volts) versus a temperatura do termopar (°C) obtida pelo SAD construído.
O gráfico de dispersão dos dados que relacionam a diferença de temperatura do sensor
HMP45C e o de referência (termopar) de ambos os SADs são apresentados na Figura 18. Foi
utilizado o método de avaliação de modelo matemático MSD entre os dados coletados pelos
SAD’s, no Quadro 01 pode-se observar o resumo dos parâmetros.
T(sensor) = 103,84ddp - 37,895 R² = 0,9927
22
24
26
28
30
32
34
36
0,58 0,6 0,62 0,64 0,66 0,68 0,7 0,72
Tem
pe
ratu
ra d
o t
erm
op
ar (
°C)
ddp (V) - sensor
56
(A)
(b)
Figura 18. Dispersão dos dados de temperatura coletados pelos SAD Construído (A) e o
datalogger (CR10X da Campbell) (B) em relação à temperatura padrão do
Termopar.
Quadro 01. Valores de MSD, SB, NU e LC.
SAD MSD (°C²) SB (°C²) NU (°C²) LC (°C²)
Construído 0,087523 8,64x10-06
0,000641 0,086874
Datalogger 0,191334 0,117735 0,011109 0,062485
Os parâmetros do método MSD apresentaram resultados muito próximos a zero, sendo
os erros de translação, rotação e dispersão não significativos. Quando os parâmetros do MSD
são comparados entre os SADs se observa que os erros de translação (SB) e rotação (NU) são
menores no SAD construído e o erro de dispersão (LC) é menor no datalloger. Apesar da
57
diferença ambos apresentaram pequenas variações de dados podendo ser utilizado na coleta
de dados em experimentos agrícolas.
De acordo com a Figura 14, pode-se observar que a dispersão dos dados variou em até
±1 °C, tendo como desvio padrão 0,29 °C para o SAD construído e de 0,43 °C do datalogger
(CR10X). A variação dos dados deve-se a falta de aterramento, blindagem e de uma
temperatura de referência, sendo trabalhado somente a média dos valores coletados. O micro
clima criado pelo ambiente da estufa, fez com que a variação da tensão fosse provocada
também por fatores como vento e umidade ali apresentada.
58
5. CONCLUSÕES
- Os dados obtidos pelo SAD construído obtiveram alta correlação com os dados obtidos pelo
datalogger da Campbell Scientific Inc. possibilitando a sua utilização em estudos
agrometeorológicos com baixo custo.
- A temperatura do ar e a umidade relativa podem ser obtidas pelo SAD construído com
elevada precisão.
59
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