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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação
Marcio Rot Sans
Sistema de Aquisição de Dados via RF para Meios Líquidos em Tempo Real
Curitiba
2004
Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação
Marcio Rot Sans
Sistema de Aquisição de Dados via RF para Meios Líquidos em Tempo Real
Monografia apresentada à disciplina de
Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. José Carlos da Cunha
Curitiba 2004
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TERMO DE APROVAÇÃO
Marcio Rot Sans
Sistema de Aquisição de Dados via RF para Meios Líquidos em Tempo Real
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de Engenharia da
Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha Prof. Valfredo Pilla Prof. Luis Carlos
Curitiba, 16 de Novembro de 2004
3
Sumário
Lista de Figuras ............................................................................................................... v Lista de Tabelas ............................................................................................................. vi Lista de Siglas ............................................................................................................... vii Lista de Símbolos ..........................................................................................................viii Resumo .......................................................................................................................... ix Abstract ........................................................................................................................... x
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 1
2. ESPECIFICAÇÃO ..................................................................................................... 2
2.1.DESCRIÇÃO............................................................................................................. 2 2.1.1.OBJETIVO GERAL .................................................................................................. 2 2.2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..................................................................................... 2 2.2.1. AQUISIÇÃO DE DADOS ......................................................................................... 2 2.2.1.1. REDES DE COMPUTADORES ............................................................................... 3 2.2.1.2. PROCESSAMENTO DE SINAIS ............................................................................. 3 2.2.2. EXPOENTE HIDROGENIONICO ................................................................................ 3 2.2.2.1. DETERMINAÇÃO DE PH ...................................................................................... 5 2.2.3. TEMPERATURA .................................................................................................... 5 2.2.3.1. ESCALAS TERMOMÉTRICAS ................................................................................ 6 2.2.4. OXIGÊNIO ............................................................................................................ 7 2.2.41. HISTÓRICO ........................................................................................................ 7 2.2.41. CARACTERÍSTICAS ............................................................................................. 8 2.2.5. TRANSDUTORES E SENSORES ............................................................................... 8 2.2.5.1. CARACTERÍSTICAS DOS TRANSDUTORES ............................................................. 9 2.2.6. TRANSMISSÃO/RECEPÇÃO DE DADOS ................................................................... 10 2.2.6.1. TRANSMISSÃO VIA RÁDIO FREQUENCIA .............................................................. 11 2.2.6.2. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ...................................................................... 11 2.2. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE ............................................................................. 12 2.3.1. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS ........................................................................ 12 2.3.1.1. AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO ............................................................... 13 2.3.1.2. CIRCUITO SOMADOR ........................................................................................ 14 2.3.1.3. CIRCUITO AMPLIFICADOR NÃO INVERSOR .......................................................... 14 2.3.2. CONVERSOR A/D ................................................................................................ 15 2.3.3. MICROCONTROLADOR ........................................................................................ 16 2.3.3.1. CPU ............................................................................................................... 17 2.3.3.2. INTERRUPÇÕES .............................................................................................. 17 2.3.3.3. RESET ........................................................................................................... 18 2.3.3.4. CLOCK ........................................................................................................... 18 2.3.3.5. MEMÓRIA DE PROGRAMA ................................................................................. 18 2.3.3.6. MEMÓRIA DE DADOS........................................................................................ 18 2.3.3.7. PORTA I/O ...................................................................................................... 18 2.3.4. DISPOSITIVOS DE TRANSMISSÃO E RECEPÇÃO ...................................................... 19 2.3.4.1. MODULO TRANSMISSOR ................................................................................... 19 2.3.4.2. MÓDULO RECEPTOR ........................................................................................ 20 2.3.4.3. ANTENA ......................................................................................................... 21 2.3.5. PORTA SERIAL ................................................................................................... 21
4
2.3.6. SENSORES ........................................................................................................ 22 2.3.6.1. SENSOR DE PH ............................................................................................... 22 2.3.6.1.1. DADOS TÉCNICOS ........................................................................................ 23 2.3.6.1.2. ELETRODOS E TEMPERATURA ....................................................................... 23 2.3.6.2. SENSOR DE TEMPERATURA .............................................................................. 24 2.3.6.2. SENSOR DE NIVEL DE OXIGÊNIO........................................................................ 25 2.3.7. DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE ................................................................. 26 2.4. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE ............................................................................. 27 2.4.1. FERRAMENTAS DE DESENVOLVIMENTO ................................................................ 27 2.4.2. LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO ......................................................................... 27 2.4.1. SOFTWARE PRINCIPAL DO SISTEMA ...................................................................... 27 2.4.1. DIAGRAMA DE BLOCOS DO SOFTWARE ................................................................. 28 2.5.TESTE DE VALIDAÇÃO............................................................................................. 29
3. PROJETO ................................................................................................................ 30
3.1.VISÃO GERAL ........................................................................................................ 30 3.2.FUNCIONAMENTO .................................................................................................. 30 3.3.COMPONENTES UTILIZADOS .................................................................................... 32 3.4.MÓDULO DO HARDWARE ......................................................................................... 32 3.4.1. MÓDULO 1 ........................................................................................................ 33 3.4.4.1. SENSOR DE PH E TRATAMENTO DO SINAL DE PH ................................................ 33 3.4.4.2. SENSOR DE TEMPERATURA E TRATAMENTO DO SINAL DE TEMPERATURA.............. 35 3.4.4.2. SENSOR DE OXIGENIO E TRATAMENTO DO SINAL DO SENSOR DE OXIGÊNIO .......... 37 3.4.4.3. CONVERSÃO A/D DOS SINAIS ............................................................................ 37 3.4.1. MÓDULO 2 ........................................................................................................ 38 3.4.1. MÓDULO 3 ........................................................................................................ 41 3.5.PROJETO DO SOFTWARE ........................................................................................ 41 3.5.1. VISÃO GERAL ..................................................................................................... 41 3.5.2. OBJETIVOS ........................................................................................................ 41 3.5.3. CASOS DE USO .................................................................................................. 42 3.5.3.1. DIAGRAMAS DE CASO DE USO .......................................................................... 43 3.5.4. DIAGRAMA DE CLASSES ...................................................................................... 44 3.5.3. DIAGRAMAS DE SEQUÊNCIA ................................................................................ 45 3.6.ANÁLISE PRÉVIA DE CUSTOS ................................................................................... 46
4. IMPLEMENTAÇÃO ................................................................................................. 47
4.1.MÓDULO 1 ............................................................................................................ 47 4.1.1. FILTROS ........................................................................................................... 47 4.1.1.1. FILTROS PASSA BAIXAS PASSIVO .................................................................... 48 4.1.2. CIRCUITOS DE TRATAMENTO DE SINAIS IMPLEMENTADO ........................................ 48 4.1.3. CIRCUITOS DE CONVERSÃO A/D IMPLEMENTADO ................................................... 51 4.2.MÓDULO 2 ............................................................................................................ 53 4.3.MÓDULO 3 ............................................................................................................ 53 4.4.SOFTWARE ........................................................................................................... 54
5. RESULTADOS ........................................................................................................ 59
6. CONCLUSÃO .......................................................................................................... 61
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 62
5
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 – PONTOS FÍXOS E RELAÇÕES ENTRE ESCALAS TERMOMÉTRICAS. ............................ 7 FIGURA 2 – MODELO DO PROTOCOLO A SER IMPLEMENTADO ................................................ 12 FIGURA 3 – AMPLIFICADOR OPERACIONAL. .......................................................................... 12 FIGURA 4 – ACOPLAMENTO INTERNO DE UM AMPLIFICADOR DE INSTRUMENTAÇÃO. ................. 13 FIGURA 5 – CONFIGURAÇÃO INVERSORA EM MALHA FECHADA. .............................................. 14 FIGURA 6 – FÓRMULA DA TENSÃO DE SAÍDA DO CIRCUITO SOMADOR E O PRÓPRIO CIRCUITO ... 14 FIGURA 7 – CONFIGURAÇÃO NÃO - INVERSORA EM MALHA FECHADA ...................................... 15 FIGURA 8 – FÓRMULA DO GANHO DE UM CIRCUITO NÃO INVERSOR EM MALHA FECHADA .......... 15 FIGURA 9 – FUNÇÃO DE UM CONVERSOR ............................................................................ 15 FIGURA 10 – DIAGRAMA EM BLOCOS SIMPLIFICADO DO MICROCONTROLADOR ........................ 17 FIGURA 11 – TRANSMISSOR DA TELECONTROLLI MODELO RT4-XXX. ...................................... 19 FIGURA 12 – RECEPTOR DA TELECONTROLLI MODELO RR3-XXX.. .......................................... 19 FIGURA 13 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO TRANSMISSOR DA TELECONTROLLI. .......................... 20 FIGURA 14 – PINAGEM DO TRANSMISSOR DA TELECONTROLLI. ............................................. 20 FIGURA 15 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO RECEPTOR DA TELECONTROLLI. ............................... 21 FIGURA 16 – PINAGEM DO RECEPTOR DA TELECONTROLLI. .................................................. 21 FIGURA 17 – REAÇÕES OCORRIDAS NO SENSOR DE PH. ....................................................... 23 FIGURA 18 – CURVA DE TENSÃO DO SENSOR DE PH DO SENSOR SC09 DA SENSOGLASS ......... 24 FIGURA 19 – CIRCUITO BÁSICO DO LM35. ........................................................................... 25 FIGURA 20 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE DO PROJETO ......................................... 26 FIGURA 21 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO SOFTWARE. ............................................................ 28 FIGURA 22 – DIAGRAMA DE BLOCOS DO HARDWARE DIVIDIDO POR MÓDULO. .......................... 31 FIGURA 23 – CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO.DO MÓDULO 1 ...................................................... 33 FIGURA 24 – CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO.DO MÓDULO 3 ...................................................... 33 FIGURA 25 – CIRCUITO SOMADOR PARA O TRATAMENTO DO SINAL DE PH. .............................. 34 FIGURA 26 - CIRCUITO AMPLIFICADOR INVERSOR PARA O TRATAMENTO DO SINAL DE PH. ........ 35 FIGURA 27 – CIRCUITO DE AMPLIFICAÇÃO DO SINAL DE TEMPERATURA. ................................. 36 FIGURA 28 – CIRCUITO DE AMPLIFICAÇÃO DO SINAL DO SENSOR DE OXIGENIO. ....................... 37 FIGURA 29 – CIRC. DO MICROCONTROLADOR 8031 COM ADC, RAM, ROM............................... 39 FIGURA 30 – BANDA PASSANTE DE FILTROS. ...................................................................... 47 FIGURA 31 – FILTRO PASSIVO PASSA BAIXA. ....................................................................... 48 FIGURA 32 – CIRCUITO FINAL DE TRATAMENTO DO SINAL DE PH. ........................................... 49 FIGURA 33 – CIRCUITO FINAL DE TRATAMENTO DO SINAL DO SENSOR DE TEMEPERATURA. ...... 50 FIGURA 34 – CIRCUITO FINAL DE TRATAMENTO DO SINAL DO SENSOR DE O². .......................... 50 FIGURA 35 – CIRCUITO DE CONVERSÃO A/D. ....................................................................... 52 FIGURA 36 – CIRCUITO DE TRANSMISSÃO DE DADOS. ........................................................... 53 FIGURA 37 – CIRCUITO DE RECEPÇÃO DE DADOS. ............................................................... 54 FIGURA 38 – TELA PRINCIPAL DO SOFTWARE. ..................................................................... 55 FIGURA 39 – TELA DE TRANSMISSÃO RF. ............................................................................ 55 FIGURA 40 – TELA DE RECEPÇÃO DE DADOS DA MEMÓRIA RAM ............................................. 56 FIGURA 41 – TELA DE RELATÓRIOS DO SISTEMA .................................................................. 57 FIGURA 42 – MODELO DO BANCO DE DADOS ....................................................................... 58
6
Lista de Tabelas
TABELA 1 – VALORES DOS PONTOS FIXOS DAS ESCALAS TERMOMÉTRICAS............................... 6 TABELA 2 – TABELA DE CONVERSÃO DE TENSÃO DO PH........................................................ 35 TABELA 3 – TABELA DE CONVERSÃO DE TENSÃO DA TEMPERATURA. ..................................... 36 TABELA 4 – TABELA DA TAXA DE VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS. ............................................ 38
7
Lista de Siglas
S.A.D. – Sistema de Aquisição de Dados via RF para meios líquidos; log – logaritmo; ph – logaritmo da concentração hidrogeniônica, potencial hidrogeniônico; RAM - Random Acces Memory; ROM - Read Only Memory UNICENP – Centro Universitário Positivo RF – Rádio Freqüência; f.e.m – Força eletromotriz; Amp.OP.- Amplificador Operacional; CMRR – Common Mode Rejection Ratio, Rejeição em Modo Comum; A/D – Analógico Digital; I/O – Input/Output, Entrada/ Saída;
PC – Personal Computer, Computador Pessoal;
8
Lista de Símbolos
- ohm; bps - bits por segundo; Bytes - 8 bits; Hz – Hertz; mA - 10-3 Amperes; M - 1024 KB; V – Volts; ºC – Graus Celsius; K – Kelvin; R – Ohm; G – Ganho; MHz – 1000000 Hz; Kbps - 1000 bits por segundo; mA- mili Ampere; mV – mili Volt; Vcc – Tensão de Alimentação;
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Sistema de Aquisição de Dados via RF para Meios Líquidos em Tempo Real
Marcio Rot Sans1, José Carlos da Cunha2
1Auno do 4o ano do Curso de Engenharia da Computação 2Professor de Engenharia da Computação
Departamento de Engenharia da Computação, Centro Universitário Positivo (UNICENP), Brasil, 81280-330
Fone: +55 41 317 3000, Fax: +55 41 317 3000 [email protected] ¹
Resumo – Num mundo globalizado como o de hoje, a produtividade e a qualidade devem ser alcançados por qualquer empresa, seja ela grande ou pequena. Para tanto se faz necessário um cuidado em tempo real na produção de qualquer produto. Além disso, a criação de determinadas espécies num meio líquido, como, por exemplo, os peixes, requerem um grau de cuidado elevado para que não haja uma mortandade nesta produção.
Os meios líquidos, tanto na produção de algum produto como a água mineral ou o vinho, e a criação de peixes na prática da piscicultura, devem ter o nível de pH, nível de oxigênio dissolvido e temperatura monitorada para que não haja algum problema no decorrer da produção, causando danos à produção de algum produto ou a morte na criação de alguma espécie. Visando auxiliar a produção industrial e a criação de espécies em meios líquidos, o projeto vem a ser uma ferramenta que monitora os parâmetros citados acima, proporcionando uma maior confiabilidade quanto ao resultado final da produção de um produto ou quanto à criação de alguma espécie. Desta forma, o projeto tem a finalidade de desenvolver um equipamento ou sistema, capaz de adquirir os parâmetros citados anteriormente. Via radiofreqüência estes parâmetros serão repassados a uma central receptora ligada a um computador que será responsável por analisar os dados recebidos, além de demonstrar na tela do computador estes dados. Em outra parte do sistema os parâmetros serão armazenados em memória volátil em hora pré-programada pelo operador. Palavras-chave: Radiofreqüência, piscicultura, pH, temperatura;
10
Abstract –In a globalized world like nowadays, the productivity and the quality must be something to be achieved by any company, being it large or small. For that it is necessary a real time care in the production of any product. Besides, the creation of some species in a liquid resource, like for instance, the fishes, requires a lot of attention to avoid mortality in that production.
The liquids resources, either in a production of any product like mineral water or for fish creation in the pisces should have the pH level, dissolved oxygen level and temperature monitored to avoid any kind of problem during the production, generating production loss of any product or death in the creation of some species.
Aiming to boost the industrial production and the fish creation in liquids resources, the project has come to be a tool that monitors parameters cited above, giving a better reliability to the production’s final result of a product or to the creation of some species.
This way, the project has the purpose of develop an equipment or a system, able of gather the parameters previously cited. Through radio frequency those parameters will be sent to a receptor unit linked to a computer which will be responsible to analyze the received data, beyond show on the computer’s monitor those data. In other system’s piece the parameters will be stored in a volatile memory in a time pre-programmed by the operator. Keywords: radio frequency, pisces, pH, temperature
11
1. INTRODUÇÃO
Cada vez mais as empresas estão buscando produtividade e qualidade na
fabricação dos seus produtos. Para tanto, se faz necessário o monitoramento da
produção em tempo integral ou em intervalos pré-determinados, já que com os dados
da produção chegando em tempo real as chances de atuar na correção de certos
fatores se tornam mais rápidas e eficientes, além de permitirem cruzar dados numa
eventual falha de produção. A fabricação de produtos para consumo como a água
mineral, vinho, derivados do leite ou o próprio leite, além do monitoramento de tanques
de criação de peixes ou produtos farmacêuticos, requerem uma atenção especial no
seu processo de fabricação em relação a alguns parâmetros que envolvem a
fabricação ou o cuidado destes produtos, se encaixando perfeitamente no quesito de
produtividade e busca da qualidade citada.
O projeto a ser desenvolvido tem como finalidade adquirir, transmitir e/ou
armazenar parâmetros dos meios líquidos, mais precisamente do lago da UNICENP,
em tempo real simulando a criação de peixes na prática de piscicultura.
Para o desenvolvimento do sistema será realizado o monitoramento de três
parâmetros que são de grande importância para as aplicações citadas anteriormente.
Os parâmetros medidos serão o nível de oxigênio, temperatura e o nível de pH do meio
em questão, sendo todos adquiridos através de sensores específicos.
O S.A.D., sigla crida para o sistema em desenvolvimento, além da característica
citada de monitorar certos fatores de meios líquidos, visa automatizar o processo de
leitura de parâmetros que é essencialmente realizado por uma pessoa que está, assim
como todos os seres humanos, aptos a errar no momento de realizar a leitura do fator a
ser medido.
12
2. ESPECIFICAÇÃO
2.1. Descrição
A necessidade de se monitorar a produção de certos produtos a fim de obter dados
destas produções em tempo real torna necessário o aperfeiçoamento do processo de
leitura de informações que muitas vezes ainda é feito pelo humano ou por sistemas
rudimentares.
2.1.1. Objetivo Geral
Além de mostrar um funcionamento prático de como se pode fazer a aquisição de
informações de produtos, criações ou desenvolvimento de certas substâncias, o S.A.D.
tem um caráter acadêmico muito importante, já que os desenvolvimentos de monitores
de ambientes ou estações meteorológicas sempre são desenvolvidos nas faculdades,
porém o desenvolvimento de algo que englobe fatores diferentes ao do ambiente em
que vivemos dificilmente é realizado.
2.2. Fundamentação Teórica
2.2.1. Aquisição de Dados
Com a evolução dos computadores, assim como em todas as áreas, a área de
medição e aquisição de dados deu um salto imenso. As mudanças foram introduzidas
em praticamente todos as camadas da área: da construção de medidores à
metodologia de medição, do planejamento das medições à análise dos dados, da
organização dos resultados à sua divulgação, praticamente nada escapou às
mudanças.
A aquisição de dados pode ser considerada como a porta de entrada de sistemas
dos mais variados tipos. Ela engloba de métodos e dispositivos capazes de transformar
informações do mundo real, preponderantemente analógicos, para o formato digital,
com o qual os computadores trabalham. Um sistema de aquisição de dados é
composto por um ou mais dispositivos de entrada gerando dados para um computador
13
capaz de interpretá-los como grandezas físicas, requerendo para isto, o software
adequado.
Com o contínuo surgimento de tecnologias, a área continua a evoluir, incorporando
importantes avanços de outras áreas como redes de computadores e processamento
de sinais.[20]
2.2.1.1. Redes de computadores
As tecnologias surgidas nesta área possibilitam uma integração cada vez maior de
recursos e informações geradas pelos sistemas de medição. Atualmente é possível
disponibilizar resultados de uma medição através de uma rede integrando laboratórios,
centros de pesquisa, indústrias, mesmo que localizados a grandes distâncias.[20]
2.2.1.2. Processamento de sinais
O aumento da capacidade de processamento aliada à melhoria dos sistemas
operacionais e linguagens de programação propiciou o surgimento de uma variedade
de programas capazes de trabalhar com a matemática avançada. Com isto, o trabalho
de análise e interpretação de resultados, cujo início era a prancheta de anotações
passou a ser executado de forma integrada ao processo de medição. Outras funções,
normalmente efetuadas por circuitos analógicos como condicionamento de sinais,
controle de processos, modelagem matemática de sistemas, passaram a ser executas
em sistemas digitais.[20]
2.2.2. Expoente Hidrogeniônico (pH)
Na análise química é necessário lidar com as concentrações hidrogeniônicas. Para
evitar o incômodo de escrever números com fatores de potências negativas de 10,
Sörensen (1909) introduziu o uso do expoente hidrogeniônico ou pH, definido pela
relação[13]:
pH = - log [H+]
14
Assim, o pH é o logaritmo da concentração hidrogeniônica com sinal negativo ou o
logaritmo do inverso da concentração hidrogeniônica. É muito conveniente expressar a
acidez ou alcalinidade de uma solução por seu pH. Na maioria das vezes o pH das
soluções aquosas permanece entre 0 e 14. Numa solução 1M (mole) de um ácido forte
monobásico teríamos[1]:
pH = - log 1 = 0,
Enquanto o pH de uma solução 1M (mole) de uma base forte monovalente é:
pH = - log 10-14 = 14
Se uma solução for neutra,
pH = - log 10-7 = 7
Da definição acima, segue-se:
Para uma solução ácida, pH < 7;
Para uma solução alcalina, pH > 7;
Para uma solução neutra, pH = 7;
O termo pOH é usado de maneira análoga para expressar o expoente da
concentração de íons hidroxila presentes na solução em questão:
pOH = - log [OH-]
Para qualquer solução aquosa a correlação abaixo deve sempre existir já que uma
complementa a outra: [1]
pH + pOH = 14
15
2.2.2.1. Determinação de pH
Desde os anos 30, o modo mais conveniente de determinar pH tem sido por
medidas de diferença de potencial através de uma membrana de vidro. O fenômeno
sobre o qual se baseia essa medida foi identificado por M. Cremer em 1906 e por F.
Haber alguns anos depois. No Brasil, o desenvolvimento desta tecnologia se deu no
inicio da década de 80[14].
O método mais avançado e preciso utilizado para determinação do pH é baseado
na medição da força eletromotriz (f.e.m.) de uma célula eletroquímica que contém uma
solução de pH desconhecido como eletrólito, e dois eletrodos. Os eletrodos são
conectados aos terminais de um voltímetro eletrônico, a maioria das vezes denominada
simplesmente medidor de pH. Quando convenientemente calibrado com uma solução-
tampão de pH conhecido, pode-se ler diretamente na escala do instrumento o pH da
solução de teste.
A f.e.m. de uma célula eletroquímica pode ser definida como o valor absoluto da
diferença de potenciais de eletrodo entre os dois eletrodos. Os dois eletrodos utilizados
na construção da célula eletroquímicos têm funções diferentes na medição e devem ser
escolhidos cuidadosamente. Um dos eletrodos, denominado eletrodo indicador, adquire
um potencial que depende do pH da solução. Na prática, o eletrodo de vidro é utilizado
como eletrodo indicador. O segundo eletrodo, por sua vez, deve ter um potencial
constante independente do pH da solução, com o qual, portanto, o potencial do
eletrodo indicador pode ser comparado em várias soluções; daí este segundo eletrodo
ser denominado eletrodo de referência. Na medição do pH, o eletrodo de calomelano
(saturado) é utilizado como eletrodo indicador.[1]
2.2.3. Temperatura
Temperatura é a medida do grau de agitação molecular. Essa medida é feita
indiretamente medindo-se a variação de grandezas físicas que variam com a
temperatura. Por esse motivo são chamadas grandezas físicas termométricas. Como
exemplo podemos citar a pressão, o volume e a resistência elétrica. Os sistemas
construídos para medir-se a temperatura são chamados termômetros.
Como a temperatura está associada ao movimento das moléculas, pode-se encará-
la como medida do nível energético das moléculas, a energia associada à energia
16
cinética das moléculas é denominada de Energia Térmica, energia cuja qual depende
da massa e da temperatura.
Uma das principais características das grandezas termométricas é o equilíbrio
térmico, que sempre acontece quando dois corpos estiverem à mesma temperatura
num ambiente comum.
2.2.3.1. Escalas termométricas
Escalas termométricas são as temperaturas fixas conhecidas como a fusão e a
ebulição da água. Essas escalas também são conhecidas como Pontos Fixos. Os
pontos fixos são os principais valores, quando é necessário se construir uma escala
termométrica, sendo que convenciona-se os valores da escala correspondente aos
pontos fixos, e divide-se o espaço que os separa em um determinado número de partes
iguais. Atualmente são utilizadas três escalas: Celsius, Fahrenheit e Kelvin.
Na tabela 1 tem uma relação entre os pontos fixos de cada escala[2].
Escala Ponto de Fusão Ponto de Ebulição
Celsius 0 100
Fahrenheit 32 212
Kelvin 273 373
Tabela 1 – Valores dos pontos fixos das escalas termométricas
A Escala Kelvin é a escala oficial de temperatura do Sistema Internacional,
denominada de escala absoluta já que possui apenas valores positivos, sendo
desenvolvida quando cientistas descobriram a menor temperatura em que um corpo
pode chegar, ou seja, quando as moléculas de um corpo param de se agitar. Esta
temperatura é –273 ºC ou 0K, sendo denominado de zero absoluto. Na figura 1 podem
ser visualizados os pontos fixos de cada escala bem como as relações matemáticas
envolvendo as escalas termométricas. Estas relações são utilizadas para realizar a
conversão de temperatura de uma escala para outra [15].
17
Figura 1 – Pontos fixos e relações entre escalas termométricas
2.2.4. Oxigênio
É da sabedoria de todos que o oxigênio é de suma importância para a vida de seres
vivos, já que sem ele a maioria das espécies não sobreviveria.
2.2.4.1. Histórico
Os primeiros pesquisadores a falar do oxigênio foram Carl Scheele e Joseph
Priestleypor volta do ano de 1770. Scheele o denominou de “ar de fogo” e “ar vital”, e o
obteve por aquecimento do óxido vermelho de mercúrio (HgO). Entretanto, Scheele
nada tinha publicado sobre o assunto até 1777; enquanto isso, Priestley obteve o
oxigênio quando examinava a ação de raios solares concentrados com o auxílio de
uma lente de aumento sobre diversas substâncias contidas em uma proveta e sobre
mercúrio. Quando ele focalizou o foco numa certa quantidade de óxido mercúrico
nessa mesma proveta, observou o desprendimento de um gás.
É importante salientar que muito antes de Carl Scheele e Joseph Priestleypor vários
cientistas já tinham conhecimento do oxigênio, porém nenhum deles se deu ao trabalho
de isolar e determinar as suas propriedades. Outro cientista com grande importância,
talvez o primeiro em importância em se tratando de oxigênio foi Lavoisier. Lavoisier é
tão importante porque foi o responsável por mostrar e demonstrar que a respiração,
oxidação e a combustão são fenômenos intimamente ligados, e são reações onde o
oxigênio tinha papel fundamental. [16]
18
2.2.4.2. Características
Em temperatura ambiente o oxigênio é um gás incolor, insípido e inodoro. É um
pouco mais pesado do que o ar e é apreciavelmente solúvel em água; graças a ele o
peixe e outros seres sobrevivem em baixo de água, daí a necessidade de ser medir o
nível de oxigênio medida em lagos, rios e tanques.
O ar contém aproximadamente 21% de oxigênio ao nível do mar, porém quanto
maior for a altitude, mais rarefeito o ar se torna, isto é, a concentração de oxigênio
decresce pouco a pouco e por esta razão que alguns alpinistas levam cilindros de
oxigênio quando se aventuram em escalar montanhas muito altas. De qualquer forma,
mesmo que a concentração chegue a 12% de oxigênio (como em algumas partes dos
Andes) o ser humano ainda consegue sobreviver. Mas, quando a percentagem chega a
7%, a vida logo se extingue e uma vela se apaga em uma atmosfera com menos de
17% do gás.
Por outro lado, pode-se respirar oxigênio puro por algum tempo, mas não é muito
recomendável já que o organismo fica enfraquecido e não tem força suficiente nos
pulmões para oxigenar o sangue. [16]
A combinação do oxigênio com outros elementos forma óxidos, cuja reação com a
água produz oxiácidos e bases. A combinação dos quais existem numerosas famílias e
variedades, presentes na natureza na maioria dos fenômenos geológicos. Inúmeras
substâncias orgânicas, como álcoois, ésteres, aldeídos, cetonas, ácidos carboxílicos e
ésteres, também possuem átomos de oxigênio em sua estrutura. [17]
2.2.5. Transdutores e Sensores
Uma importante função da eletricidade é a possibilidade de se medir grandezas
físicas como temperatura, posição, força, pressão entre outros fatores. Para tanto é
necessário transformar essas grandezas físicas em grandezas elétricas, daí a
importância da eletricidade. A função de transformação de uma grandeza, ou uma
forma de energia em outra, pode ser realizada por um sistema conhecido como
transdutor.[4]
Simplificando, “transdutor é um sistema que transforma uma forma de energia para
fins de medida.”[3]
19
Existe sempre uma confusão entre sensores e transdutores, porém por definição o
transdutor é o sistema por inteiro, que produz um sinal devidamente proporcional à
grandeza física que está sendo medida. Por outro lado o sensor é apenas a parte do
transdutor que “sente” a grandeza física a ser medida pelo transdutor.
O transdutor tem como finalidade:
Detectar a presença, a mudança, a amplitude ou a freqüência de uma
determinada medida;
Providenciar na saída um sinal elétrico, que, quando convenientemente
processado e aplicado a um aparelho de medida nos permite quantificar o
elemento medido. Esse elemento pode ser uma quantidade, uma propriedade ou
uma condição que o transdutor transforma num sinal elétrico.[4]
2.2.5.1. Características dos Transdutores
Na escolha de um transdutor é necessário observar alguns aspectos que podem ser
de grande relevância no desenvolvimento de um projeto. Estes aspectos estão
descritos abaixo de forma um pouco mais sucinta. [3]
Faixa
Representa os níveis de amplitude do sinal de entrada, sinal o qual o transdutor
deve operar.
Resolução
Pode ser definida como a menor incremento do sinal de entrada que pode ser
sensível e conseqüentemente medido pelo instrumento.
Sensibilidade
O transdutor deve ser suficientemente sensível para permitir uma saída
razoavelmente detectável.
20
Linearidade
O objetivo de uma curva de resposta de um transdutor é que ela seja o mais
próxima de uma reta, configurando assim a linearidade do transdutor.
Exatidão ou Erro
Todo instrumento apresenta uma exatidão que seria definida pela diferença
absoluta entre o valor real da medida e o valor que o instrumento indica.
Precisão ou Repetibilidade
É a capacidade do instrumento de se obter o mesmo valor várias vezes pelo mesmo
instrumento, sendo dado pelo desvio padrão das medidas efetuadas de um mesmo
valor.
Relação Sinal/Ruído
É definida pela relação entre a potência de um sinal que está sendo indicado na
saída e a potência do sinal de ruído com o sinal ausente.
Estabilidade
Define-se estabilidade pela capacidade do instrumento em retornar a uma situação
permanente depois de receber um sinal qualquer.
Isolação
Encontrada dentro do instrumento com a finalidade de que não haja ruptura, um
“vazamento” pela constante dielétrica do instrumento.
Resposta de Freqüência
É a faixa definida do espectro que determinado equipamento pode reproduzir.
2.2.6. Transmissão/Recepção de Dados
No nível mais baixo, toda a comunicação entre computadores ou entre sistemas que
necessitam trocar informações envolve codificar dados em uma forma de energia e
enviar essa energia através de um meio de transmissão. O exemplo mais conhecido é
o telefone. Apenas no nível de conhecimento pode-se citar diversos tipos e meios de
21
transmissão de dados, entre eles temos os fios de cobre, as fibras ópticas, as diversas
transmissões em ondas de rádio, transmissão via satélite, as microondas, o
infravermelho e também a possibilidade de transmissão de dados via luz de laser.[5]
Este projeto utilizará transmissão via rádio, detalhada a seguir, para transmitir dados
adquiridos de sensores.
2.2.6.1. Transmissão via radiofreqüência
Além de seu uso para a transmissão pública dos programas de rádio e televisão e
para a comunicação privada com telefones portáteis, a transmissão RF pode ser feita
para se transmitir dados entre sistemas e computadores. Informalmente, as
transmissões via onda de rádio operam na freqüência de rádio, sendo estas
transmissões denominadas de transmissões RF ou transmissões de radiofreqüência.[5]
Ao contrário das redes que usam fios ou fibras óticas para transmitir, as
transmissões RF não requerem conexão física direta. Em vez disso, cada componente
que transmite e recebe deve possuir uma antena, a fim de receber e enviar dados.
2.2.6.2. Protocolos de comunicação
O projeto desenvolvido teve a necessidade de implementação de um protocolo de
comunicação para se saber de qual sensor estará sendo enviado o valor. Para tanto é
necessário saber o que seria um protocolo de comunicação ou apenas protocolo.
Protocolo tem como definição um acordo que especifica o formato e o significado
da troca de mensagens entre dois instrumentos ou computadores que fazem parte de
uma rede ou de um sistema. Neste protocolo, podem estar inclusas diversas
informações, além de também poder estar separado em diversos pedaços, quem
define isto é a tecnologia que esta sendo implementada, ou o desenvolvedor de um
novo protocolo.
A implementação do protocolo no projeto teve como objetivo saber de qual sensor
foi lido o valor a ser transmitido via RF, além de evitar possíveis lixos de transmissão.
Para isso é mandado 3 bytes, sendo o primeiro um caractere identificador, depois o
número do sensor correspondente e por último é enviado um byte contendo o valor lido
pelo referido sensor. Na figura 2 está a demonstração de um protocolo. [5]
22
Figura 2 – Modelo do protocolo a ser implementado no sistema
2.3. Especificação do Hardware
2.3.1. Amplificadores Operacionais
Amplificador operacional é um amplificador muti-estágio de acoplamento direto e
entrada diferencial cujas características se aproximam de um amplificador ideal[6]. O
Amplificador Operacional, também denominado de amp-op é um amplificador
diferencial de ganho muito elevado com uma impedância de entrada muito alta e baixa
impedância de saída. Tipicamente o amp-op é usado para se obter amplitudes
variáveis de tensão, osciladores, circuitos de filtros e muitos tipos de circuitos de
instrumentação.[7]
A pinagem de um amplificador operacional 741, um dos mais populares, pode ser
visualizada na figura 3, bem como a descrição de cada pino.
Figura 3 –Amplificador Operacional 741
Os amplificadores operacionais foram utilizados no projeto nos módulos de
tratamento de sinais provenientes dos sensores. O modelo escolhido foi o 351, pelo
custo benefício que ele oferece.
PROTOCOLO
2 bytes – 1º caractere
‘A’ e depois a indicação
de qual sensor (1, 2 ou 3)
1 byte enviado contendo o valor lido do
sensor a que o cabeçalho foi mandado
23
2.3.1.1. Amplificador de Instrumentação
Os amplificadores de instrumentação são amplificadores diferenciais que
apresentam algumas características peculiares, sendo utilizados principalmente em
locais onde é sabido a existência de ruído. Estas características são:
Alto ganho;
Alta impedância de entrada;
Alta rejeição de modo comum (CMRR); [8]
A finalidade de um amplificador de instrumentação é a amplificação de sinais
diferenciais de baixa amplitude, principalmente provenientes de transdutores, que
podem vir a apresentar um alto nível de ruído em modo comum.
Na figura 4 podemos visualizar o acoplamento interno de um amplificador de
instrumentação, mais especificamente de um amplificador de instrumentação da Texas
do modelo INA 118.
O mesmo amplificador da figura 4 foi utilizado no projeto para eliminar o nível de
ruído em modo comum, sendo eliminado pela alta rejeição de modo comum que o
amplificador de instrumentação apresenta. [8]
Figura 4 – Acoplamento interno de um amplificador de instrumentação
24
2.3.1.2. Circuito Somador
Considerando o circuito da figura 5, que consiste em um amplificador operacional e
duas resistências R1 e R2. A resistência R2 foi ligada do terminal de saída para a
entrada inversora do amplificador operacional. Pode-se dizer que R2 realiza uma
realimentação negativa. É possível perceber também que R2 fecha uma malha à volta
do amplificador operacional, portanto diz-se que o circuito está configurado no modo de
malha fechada.[9]
Figura 5 – Configuração inversora em malha fechada
O circuito apresentado anteriormente na figura 5, esta caracterizada na
configuração inversora, tendo um ganho representado pela fórmula da figura 6. O
circuito somador parte desta configuração para ser montado. Na figura 6 é possível
visualizar um circuito somador com a sua fórmula de tensão de saída.
Figura 6 – Fórmula da tensão de saída do circuito somador e o próprio circuito
O circuito somador, como o nome já diz soma tensões que estão na sua entrada
inversora.
2.3.1.3. Circuito Amplificador não inversor
Se a entrada inversora do amplificador operacional estiver ligado ao terra este
circuito terá uma realimentação negativa, já que o sinal de entrada agora estará ligada
25
à entrada não-inversora, conforme mostra o circuito da figura 7. [9]
Figura 7 – Configuração não inversora em malha fechada
Diferentemente do circuito inversor, do tópico 2.3.2, o ganho de um circuito não-
inversor é dado pela fórmula da figura 8.
Figura 8 – Equação do ganho de um circuito não-inversor
Tanto para o sinal proveniente do sensor de temperatura, quanto para o sinal
proveniente do sensor de nível de oxigênio, será necessário elevar o sinal, podendo
utilizar um circuito de maneira não inversora ou amplificadores de amplificação a fim de
eliminar ruídos em modo comum, como citado anteriormente no tópico 2.3.1.1.
2.3.2. Conversor A/D
Um conversor AD faz o mapeamento de um valor de entrada analógico
(contínuo) para um valor de saída discreto, ou seja, transforma um número qualquer de
tensão em outro valor para a base binária. Uma representação bem simplória do que
faz um conversor A/D pode ser visualizada na figura 9.
Figura 9 – Função de um conversor A/D
26
Como os computadores só reconhecem sinais digitais, ou seja, pode-se falar a
grasso modo que os computadores só entendem números binários, se faz necessária a
conversão de sinais analógicos para digital.
Todo conversor A/D possui uma resolução que é determinada pelo número de bits
de saída, sendo que a resolução do conversor determina o menor passo que sinal
analógico de entrada pode ser discriminado.
O conversor A/D utilizado pelo projeto foi o ADC 0808 do fabricante National
Semicondutor. Este microcontrolador possui 8 entradas analógicas com cada entrada
possuindo uma resolução de saída de 8bits, sendo as entradas selecionadas pelos
endereços de entradas.
2.3.3. Microcontrolador
O microcontrolador tem como definição: Microcomputador de um só chip. Como o
nome indica, reúnem no mesmo chip os diversos elementos de um microcomputador,
tudo dentro de um único chip. Alguns dos elementos que podem aparecer num
microcontrolador são: [10]
Microprocessador ou CPU;
RAM;
ROM;
Temporizadores;
Contadores;
Canal de comunicação serial;
Portas de I/O;
Alguns microcontroladores possuem internamente mais funcionalidades que as
citadas anteriormente e isto depende de fabricante para fabricante e de modelo para
modelo.
O modelo utilizado no projeto foi o Intel 8031. Este microcontrolador não possui
ROM e RAM interna, porém o restante dos elementos citados anteriormente o
microcontrolador 8031 possui. A RAM e a ROM num projeto com 8031 são acessadas
de forma externa através de endereçamento. O microcontrolador utilizado no projeto
27
possui um diagrama de blocos simplificado parecido com a figura 10. A freqüência de
funcionamento do 8031 geralmente é de 12 MHz ou 11,059 MHz.
Figura 10 – Diagrama em blocos simplificado do microcontrolador
Os principais elementos de um microcontrolador estão descritos a seguir.
2.3.3.1. CPU
É a pastilha do microcontrolador que tem a competência para acionar e se
comunicar com todas os elementos citados acima, porém sempre seguindo às diretivas
gravadas na ROM.[11]
2.3.3.2. Interrupções
Interrupções são entradas, a partir de um sinal externo, que permitem que o
microcontrolador interrompa suas tarefas e realize aquelas planejadas pela interrupção
solicitada.[11]
28
2.3.3.3. Reset
O reset, ou gerador de reset, é responsável por inicializar o sistema ao ligar ou
quando acionado. Significa que este gerador faz com que a CPU volte a executar a
primeira rotina gravada na ROM, ou seja, a CPU irá executar a instrução que se
encontra no primeiro endereço da ROM.[11]
2.3.3.4. Clock
Clock ou Gerador de Clock é o responsável por gerar os pulsos necessários ao
sincronismo do sistema. O microcontrolador 8031 utiliza tipicamente um clock de 12
MHz, com tempos de execução de cada instrução variando entre 1ms e 4ms.[10]
2.3.3.5. Memória de Programa
É a memória onde o microprocessador vai procurar as instruções a executar. Em
sistemas dedicados costuma-se utilizar memórias ROM, embora em alguns casos
memórias RAM e FLASH também sejam utilizados.[11]
2.3.3.6. Memória de Dados
É memória onde o microprocessador lê e escreve dados durante a operação
normal. Geralmente é do tipo volátil, embora memórias não-voláteis possam ser
utilizadas.[10]
2.3.3.7. Portas de I/O
As portas de I/O têm como função a comunicação com o mundo externo, a fim
de trocar informações com o microcontrolador. Fazem parte deste mundo exterior,
dispositivos como teclado, PC, impressoras, displays, sensos, etc. [11]
29
2.3.4. Dispositivo de Transmissão e Recepção
O projeto apresenta um módulo de transmissão e recepção de dados via
radiofreqüência do fabricante Telecontrolli. O modelo do equipamento é composto por
um circuito de transmissão do modelo RT4 – XXX e um circuito de recepção do modelo
RR3 - XXX. Ambos podem ser visualizados abaixo.
Figura 11 –Transmissor da telecontrolli do modelo RT4 - XXX
Figura 12 –Receptor da telecontrolli do modelo RR3 - XXX
O modelo apresentado possui uma taxa de transmissão de 160 kbps, tendo um
alcance de 30 metros para ambientes abertos, ou seja, sem obstáculo, e um alcance
de 15 a 20 metros para ambientes fechados, que apresentem obstáculos entre o
módulo de transmissão e o módulo de recepção. A sua freqüência de operação é de
433,92 MHz, freqüência esta é liberada pelos órgãos responsáveis para utilização
pública.
2.3.4.1. Módulo Transmissor
O módulo de transmissão possui um circuito interno conforme a figura 13.
30
Figura 13 – Diagrama em blocos do transmissor da Telecontrolli do modelo RT4 - XXX
Os pinos do circuito transmissor, bem como os seus devidos significados estão
na figura 14.
Figura 14 – Pinagem do transmissor da Telecontrolli
A tensão de alimentação do circuito de transmissão é de 5 V sendo que pode ter
uma tensão mínima de 2V e uma tensão máxima de 14 V.
2.3.4.2. Módulo Receptor
O módulo de recepção possui um circuito interno conforme a figura 15.
31
Figura 15– Diagrama em blocos do receptor da Telecontrolli
Os pinos do circuito transmissor, bem como os seus devidos significados estão
na figura 16.
Figura 16 – Pinagem do receptor da Telecontrolli
2.3.4.3. Antena
Para melhorar a qualidade de transmissão dos dados se faz necessário o uso de
uma antena no módulo de transmissão e uma no módulo de recepção. No módulo de
transmissão a antena será colocada no pino 4 enquanto que no módulo de recepção a
antena é colocada no pino 3. O tamanho recomendado para a antena é de 30 cm.
2.3.5. Porta Serial
A interface serial é o periférico que converte informações em paralelo
(geralmente de computadores) para informações seriais (geralmente de modems,
32
linhas telefônicas ou para a placa serial de outro micro). Isso quer dizer que a interface
serial toma bytes recebidos em paralelo e converte-os para bits individuais que serão
enviados separadamente, e também executa a operação inversa, tomando bits
separados, convertendo-os para bytes e enviando-os para o computador em paralelo.
O protocolo que a porta serial utiliza é o RS-232, com os dados sendo
mandados de forma seqüencial num com um “pacote” de envio, sendo compatível a
comunicação serial utilizada pelo microcontrolador do projeto.
No projeto a comunicação serial foi utilizada para descarregar os dados
armazenados na memória RAM do módulo do microcontrolador para o computador
contendo o software que se encarregará de analisar os dados medidos pelo sistema.
Outra finalidade da porta serial é a de receber dados enviados via rádio freqüência do
módulo de aquisição de sinais, para o computador.[12]
2.3.6. Sensores
2.3.6.1. Sensor de pH
Para servir como indicador para cátions, uma membrana de vidro deve conduzir
eletricidade. A condução dentro da camada de gel hidratado envolve o movimento de
íons hidrogênio. A condução através das interfaces solução/gel ocorre através das
reações apresentadas na figura 17.
Figura 17 – Reações ocorridas no sensor de pH
Da figura acima o subscrito 1 refere-se à interfase entre o vidro e a solução do
analito e o subscrito 2 refere-se à interfase entre a solução interna e o vidro. As
posições desses dois equilíbrios são determinadas pelas atividades do íon hidrogênio
nas soluções dos dois lados da membrana. A superfície na qual ocorre a maior
dissociação torna-se negativa com relação à outra superfície na qual ocorre menos
dissociação. Um potencial limite Elim desenvolve-se, então, através da membrana. A
33
magnitude do potencial limite depende da razão entre as atividades do íon hidrogênio
nas duas soluções. A essa diferença de potencial que atua como parâmetro analítico
nas medidas potenciométricas é dado o nome de medição de pH.[14]
2.3.6.1.1 Dados Técnicos
A medição potenciométrica de pH requer um eletrodo indicador e um eletrodo de
referência, cada eletrodo constituindo uma meia-célula. A meia-célula correspondente
ao eletrodo de referência que gera uma tensão constante e que não depende de pH. A
meia-célula correspondente ao eletrodo indicador que é constituída por um eletrodo de
vidro e que tem geralmente a forma de um bulbo, é fabricada a partir de um vidro
especial de composição rigorosamente controlada. Esse vidro apresenta uma
propriedade singular que o distingue dos vidros comuns; o contato com uma solução
aquosa provoca uma modificação superficial da estrutura. Tudo se passa como se o
líquido da solução transformasse a camada externa do vidro, inicialmente dura e
compacta, numa película hidratada do tipo gel. Essa camada gelatinosa extremamente
fina permite a penetração dos íons H+ e, conseqüentemente, o aparecimento de uma
tensão que é função linear do pH.[14]
2.3.6.1.2 Eletrodo e Temperatura
A uma temperatura ambiente, de 25º C, o eletrodo de vidro gera uma tensão de
59 mV para cada unidade de pH. A uma temperatura de 50º C, a voltagem gerada é de
65 mV e a 100ª C ela vale 74 mV. Desta maneira se torna importante a compensação
de temperatura realizada pelo sensor de temperatura.[14]
34
Figura 18 – Curva de tensão por pH do sensor SC09 da SensoGlass
O sensor utilizado no projeto, do fabricante SensoGlass, modelo SC09, já vem
com o eletrodo de referência acoplado e possui uma curva de resposta de tensão
conforme a figura 18.
2.3.6.3. Sensor de Temperatura
Uma das finalidades do projeto é realizar a leitura da temperatura do meio em
questão. Para isto foi utilizado um componente encapsulado pronto, da fabricante de
circuitos integrados National Semicondutor. O modelo do circuito integrado é o LM35.
Este CI tem a vantagem de possuir uma saída linear proporcional à escala
termométrica Celsius, que é a utilizada no Brasil. O LM35 não necessita de calibração
externa além de atuar numa faixa de temperatura entre –55 ºC até 150 ºC e possuir
uma tensão de alimentação que pode variar de 4 até 30 Volts.
O LM35 possui uma taxa de variação de 10 mV/°C. Isto quer dizer que a zero
graus Celsius, a saída do LM35 apresentará uma tensão de 0V, numa temperatura de
um grau Celsius o LM35 apresentará uma tensão de 10mV e assim sucessivamente,
isto se o circuito integrado for alimentado a 4 Volts ou mais e o seu pino de GND for
ligado ao terra. Esta configuração pode ser visualizada na figura 19.[20]
35
Figura 19 – Circuito básico do LM35
2.3.6.4. Sensor de Nível de Oxigênio
Foram pesquisados diversos sensores de nível de oxigênio para meios líquidos
porém todos se apresentaram custosos para o desenvolvimento do projeto, ficando em
torno de R$ 500 reais o sensor. Este sensor é do fabricante Datex-Ohmeda e
apresenta uma tensão de 35mV para 21% de oxigênio, a porcentagem de oxigênio
encontrado no meio em que vivemos.
36
2.3.7. Diagrama de Blocos do Hardware
O diagrama de blocos de hardware do projeto está representado pela figura 20.
Vale a pena ressaltar que os dados só podem ser enviados ou pelo módulo de
recepção da transmissão ou pelo módulo com a RAM individualmente.
Figura 20 – Diagrama de Blocos do hardware do projeto
37
2.4. Especificação do Software
2.4.1. Ferramentas de Desenvolvimento
O sistema desenvolvido necessitou de algumas ferramentas para as diversas
aplicações que foram desenvolvidas no decorrer do projeto.
A principal ferramenta utilizada foi o C++ Builder. Esta ferramenta foi escolhida pela
facilidade de uso além de ser extremamente eficiente e poderosa no que se refere a
funcionalidades de acesso a banco de dados e transmissão serial, duas características
que o projeto apresenta. Como o software armazena informações em banco de dados,
optou-se pelo banco Database com tabelas Paradox, pela facilidade de utilização e por
ser um banco instalado juntamente com o software C++ Builder.
2.4.2. Linguagens de Programação
Um fator a ser mencionado é o fato da utilização de mais de uma linguagem de
programação no projeto. Para o módulo que contém o microcontrolador e
armazenamento de dados em memória, foi necessário o conhecimento da linguagem
Assembler. Já para o software principal do sistema a linguagem de desenvolvimento foi
a C++. Foram ainda utilizados códigos sql para armazenar e consultar informações no
banco de dados.
2.4.3. Software Principal do Sistema
O software desenvolvido para o sistema trabalha com dois tipos de entrada de
dados. A primeira entrada, referente a aquisição dos dados via radiofreqüência, torna o
sistema um receptor de dados em tempo real. Estes dados são mostrados na tela para
o usuário e se for de interesse do mesmo estes dados podem ser armazenados num
banco de dados. O intervalo de tempo de armazenamento é o mesmo tempo realizado
pela transmissão dos dados, ou seja, de 20 em 20 segundos.
A segunda entrada de dados são aqueles que estão armazenados na memória
RAM do módulo microcontrolador. Para receber estas informações da memória RAM o
sistema não pode estar recebendo dados via RF.
38
De posse dos dados é aplicado um fator de correção nestes, a fim de retornar ao
valor original lido pelos sensores. Isto se deve ao fato dos sinais originais passarem por
um tratamento para que seja possível armazenar e enviar estes sinais lidos de forma
correta.
2.4.4. Diagrama de Blocos do Software
Figura 21 – Diagrama de blocos do Software
39
2.5. Teste de Validação
Para a validação do sistema foi realizada a leitura dos parâmetros propostos
pelo projeto de forma manual, com equipamentos convencionais. De posse destes
valores, lidos da maneira citada, foi feita a leitura dos parâmetros com o sistema
desenvolvido via rádio freqüência e realizada uma comparação entre os valores.
Depois foram comparados os valores obtidos via rádio freqüência e os valores
armazenados no módulo que contem a memória RAM. Estes valores lidos via RF foram
os mesmos que os armazenados em memória para um período estabelecido.
40
3. PROJETO
3.1. Visão Geral
O Sistema de Aquisição de Dados para Meios Líquidos pode ser inserido em
diversas disciplinas, porém a que mais se encaixa no contexto do projeto é a disciplina
de Informática Industrial que é responsável pela aquisição e monitoramento de dados.
O projeto a ser desenvolvido tem como objetivo ler o pH, a temperatura e o nível de
oxigênio de algum meio, transmiti-los e/ou armazená-los para realizar a monitoração
dos parâmetros propostos.
Uma aplicação bem prática do sistema seria supervisionar tanques de piscicultura.
Na prática da criação de peixes os três fatores que o sistema monitora são de grande
importância, principalmente o nível de oxigênio já que se este fator baixar muito existirá
uma mortandade na criação.
3.2. Funcionamento
O sistema possui um sensor para cada parâmetro, portanto tem um sensor de
pH, um sensor de temperatura e um sensor de nível de oxigênio. Os sensores fazem a
leitura dos parâmetros que devem ser transmitidos e armazenados, porém os sinais
provenientes dos sensores não estão aptos a serem enviados para o PC ou
armazenados numa memória RAM. Para isto todos os sinais passam por um
tratamento deixando-os em perfeitas condições para serem convertidos para níveis
digitais. Isto acontece porque os sinais que provêem dos sensores são muito baixos
para realizar a conversão.
Depois da conversão dos sinais pelo conversor ADC 0808, os valores são
enviados para o microcontrolador 8031 que é o responsável por armazenar, se tiver
programado para isto, de 20 em 20 segundos os dados na memória RAM, além de ser
responsável de enviar via porta serial os dados para o módulo de transmissão. Nesta
etapa de transmissão o microcontrolador cria um protocolo de transmissão contendo o
um caractere identificador (‘A’), um caractere indicando de qual dado se trata o próximo
byte a ser enviado que é o valor lido pelo devido. Depois do módulo de recepção
receber os dados provenientes dos sensores, estes são enviados via porta serial para o
PC, que deve analisar o protocolo para saber de qual parâmetro o dado enviado se
41
trata. Sabendo de qual parâmetro se trata, o software analisa o dado transmitido e
aplica um fator de correção devidamente calculado para mostrar o valor na tela e
armazenar em banco de dados se assim programado. A transmissão/recepção
realizada pelo sistema tem uma freqüência de aproximadamente 433MHz, já que esta
é a freqüência de funcionamento do componente da Telecontrolli.
Se o usuário programar o microcontrolador para armazenar dados em memória,
estes serão armazenados de maneira seqüencial na memória, sendo que primeiro é o
valor de pH, depois o valor da temperatura e por último o nível de oxigênio. Esta
seqüência tem grande importância já que na hora de passar os dados para o PC, via
porta serial, é aplicado um fator de correção para estes dados.
Caso se escolha no software para que sejam lidos os dados da memória RAM, a
transmissão deve ser desligada e o módulo que contém a memória RAM deverá ser
ligado ao PC via porta serial. Os dados lidos da memória RAM serão apresentados na
tela para o usuário que pode escolher se quer ou não armazenar estes dados no banco
de dados. O software tem também a possibilidade de mostrar num gráfico valores
armazenados no banco de dados.
Figura 22 – Diagrama de blocos do Hardware dividido por módulos
42
3.3. Componentes Utilizados
Abaixo segue uma lista dos componentes utilizados pelo projeto.
Amplificador de instrumentação modelo INA118 ou INA121 da Texas
Instruments;
Amplificadores operacionais 351;
Baterias de 9V;
Resistores;
Capacitores;
Conectores DB-25 macho;
Conversor A/D 0808;
Transmissor RT4 – XXX da Telecontrolli;
Receptor RR3 – XXX da Telecontrolli;
Microcontrolador 8031;
Sensor de pH;
Circuito Integrado LM35;
Sensor de Oxigênio da Datex - Ohmeda
3.4. Módulos do Hardware
O hardware foi dividido em três módulos distintos. A divisão em módulos pode ser
vista na figura 22. Os módulos 1 e 3 possuem um circuito de alimentação externo, já
que o módulo de 3 necessita de uma alimentação de 5V e o módulo 1 necessita de
uma alimentação de +5 V e –5V. O módulo 2 pode ser alimentado por uma bateria de
9V já que possui internamento um tratamento de tensão. O circuito de alimentação do
módulo 3 pode ser visto na figura 23, valendo frisar que a alimentação é fornecida
apenas para a recepção, já que o transmissor é alimentado pelo módulo 2. O circuito
de alimentação do módulo 1 pode ser visto na figura 24.
43
Figura 23 – Circuito de alimentação do módulo 1
Figura 24 – Circuito de alimentação do módulo 3, apenas para a recepção
3.4.1. Módulo 1
Este módulo contém os sensores bem como os circuitos para tratamento de sinal
para cada parâmetro, além da conversão dos dados analógicos para digital, feita pelo
conversor ADC 0808.
3.4.1.1. Sensor de pH e tratamento do sinal do sensor de pH
O sensor de pH fornece uma variação de tensão de 59 mV para cada unidade de
Ph, porém vale ressaltar que quando o pH é 7, a saída do sensor é de 0 V, sendo o
44
pH=7 um valor de referência. Para cada unidade de pH que o sensor aumenta, a
tensão decresce de 59 mV, portanto num valor de pH=14, a tensão de saída do sensor
será de -413 mV. Por outro lado, quando o valor de pH cair uma unidade em relação ao
pH=7 a tensão sobe 59mV. Quando o pH=0, a tensão de saída do sensor é de
+413mV.
Como não se é trabalhado com tensões negativas, foi utilizado um circuito somador
(figura 25) que quando o sensor fornecer -413mV a saída do somador é 0V e, quando o
sensor fornecer 413mV, a saída do somador será de –0,826V.
56K
vai para inversor
VCC
VEM DO SENSOR DE pH
+5V
4,7K
-5V
100Kohm
1 3
2
+
-
U1
LF351
3
26
7 14 5
Figura 25 – Circuito somador para o tratamento de pH
Depois do circuito somador foi colocado um circuito de amplificação de sinal com
configuração inversora (figura 26), já que a saída do somador é uma tensão negativa,
para que quando a tensão de saída do somador for igual a –0,826V , na saída do
circuito amplificador tenha uma tensão de 5V. Tudo isto para utilizar ao máximo a
resolução do ADC, que terá uma tensão mínima de referência de 0V e uma tensão
máxima de referência de 5V. Para que na saída do circuito amplificador se tenha uma
tensão de 5V, o ganho do circuito foi de 28.
45
Figura 26 – Circuito amplificado inversor para o tratamento do sinal de pH
A seguir, na tabela 2, seguem as tensões limites do circuito do sensor de pH e o
valor do sinal devidamente tratado para a entrada no ADC.
pH Sensor (V) Saída do Somador (V) Saída do Amplificador (V)
0 0,413 -0,826 4,956
7 0 -0,413 2,478
14 -0,413 0 0
Tabela 2 – Tabela de conversão de tensão para o parâmetro pH
3.4.1.2. Sensor de temperatura e tratamento do sinal do sensor de temperatura
O sensor de temperatura possui uma saída linear tendo como tensão de saída, para
uma temperatura de 0ºC, 0 Volts. Com o projeto testado num lago e a taxa de variação
de temperatura é baixa, a temperatura foi considerada entre os valores de 0 ºC até 35
ºC. A variação de tensão para cada grau centígrados é de 10mV, portanto se a
46
temperatura for de 1ºC, a saída do sensor é de 10mV. Como a temperatura máxima
admitida pelo sistema é de 35ºC a máxima tensão adquirida na saída do sensor será
de 350mV. Esta tensão deve ser elevada até 5 volts para a entrada no ADC. Para
aumentar esta tensão foi necessária uma amplificação do sinal realizada pelo circuito
da figura 27. O circuito implementado utilizar um amplificador de instrumentação com o
ganho de 14; para isto, utilizou-se um tripot de 10k sendo regulado com uma
resistência de aproximadamente 3,8K.
+
-
U2
INA1183
26
7 14 8 5
10Kohm
1 3
2
-5V
VAI P/ ENTRADA 2 ADC
+5V
VEM DO SENSOR TEMP
Figura 27 – Circuito de amplificação do sinal do sensor de temperatura
A tabela 3 apresenta os valores de tensões de saída do sensor e as tensões de
saído do circuito amplificador para determinadas temperaturas.
Temperatura (ºC) Saída do Sensor (V) Saída do Amplificador(V)
0 0,0 0
15 0,15 2,1
35 0,35 4,9
Tabela 3 – Tabela de conversão de tensão para a temperatura
47
3.4.1.2. Sensor de Oxigênio e tratamento do sinal do sensor de oxigênio
O sensor de oxigênio é do tipo de célula química, ou seja, a tensão de saída se da
através de reações químicas internas do sensor não sendo necessário uma tensão de
alimentação para o seu funcionamento. O sensor possui uma tensão de 35mV para o
ar, ou seja, para 21% de oxigênio. A medida que o nível de oxigênio cai a tensão de
saída do sensor diminui e, caso o nível de oxigênio aumente, a tensão de saída do
sensor também aumenta.
A tensão de saída do sensor vai para um circuito que eleva este sinal. Para o
nível de oxigênio do meio ambiente, ao nível do mar a tensão do sensor é elevada 71
vezes passando então de 35mV para 2,5 volts. Este circuito pode ser visualizado na
figura 28, tendo o circuito um tripot de 1K, sendo este regulado para uma resistência
de aproximadamente 700 .
+
-
U2
INA1183
26
7 14 8 5
10Kohm
1 3
2-5V
VAI P/ ENTRADA 3 ADC
+5V
VEM DO SENSOR OXIG
Figura 28 – Circuito de amplificação do sinal do sensor de oxigênio
3.4.1.3. Conversão Analógica Digital dos sinais
O conversor analógico digital utilizado trabalha com uma tensão de referência
negativa de 0V e outra tensão de referência positiva de 5V, portanto a resolução
máxima é de 256 valores. É por este motivo que se faz uma amplificação nos sinais
analógicos de entrada, para se poder utilizar ao máximo a resolução que o ADC
48
disponibiliza. Na tabela 4 é possível visualizar as taxas de variações dos parâmetros
medidos, bem como a respectiva saída do que o ADC fornece.
Temperatura pH
Taxa de Variação na
saída do ADC 0,13671875 0,019140625
Tabela 4 – Tabela de taxa de variação dos parâmetros
O circuito em que se encontra o ADC pode ser visto na figura 29. Na tabela 4 não
aparece a resolução do nível de oxigênio já que não é de conhecimento a taxa de
variação de tensão do sensor para a variação da porcentagem de oxigênio.
3.4.2. Módulo 2
O módulo 2 corresponde ao microcontrolador e a memória RAM. Neste módulo é
apresentado também o ADC ligado ao barramento de dados do microcontrolador.
Este módulo é o responsável por receber os dados do ADC, enviar para a
transmissão RF, além de armazenar dados na memória RAM. Para isto foi colocado
um teclado e um display LCD permitindo a interação do usuário com o que ele gostaria
de fazer. O circuito completo pode ser visualizado na figura 29.
49
A11
C3
33p
A2
A7
A14
AD
6
AD
4
A15
A10
A1
Vcc
AD
6
U5
ADC0808
26
27
28
1 2 3 4 5 12
16
10
9 7
17
14
15
8 18
19
20
21
25
24
23
6 22
IN0
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
IN6
IN7
RE
F+
RE
F-
CLK
OE
EO
C
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
A0
A1
A2
ST
AR
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AD
7
trata
me
nto
do s
inal d
e te
mp
AD
1A
D0
C7
100n
A11
U3
62256
10
9 8 7 6 5 4 3 25
24
21
23
2 26
1 20
22
27
11
12
13
15
16
17
18
19
28 14
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
CE
OE
WE
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
VCC GND
AD
3
5V
A15
C6
100n
AD
2
A3
A6
C8
100n
A11
A5
Vcc
AD
4
AD
1
U1
80C31
31
19
18
9 12
13
14
15
1 2 3 4 5 6 7 8
39
38
37
36
35
34
33
32
21
22
23
24
25
26
27
28
17
16
29
30
11
10
40 20
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/VP
X1
X2
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T1
T0
T1
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P0.0
P0.1
P0.2
P0.3
P0.4
P0.5
P0.6
P0.7
P2.0
P2.1
P2.2
P2.3
P2.4
P2.5
P2.6
P2.7
RD
WR
PS
EN
ALE/P
TX
DR
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VCC VSS
AD
5
A10
A8
AD
7
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1 2
Vcc
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5 -
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AD
5
A7
AD
1
A3
AD
4
EN
C1
1D
U2
74LS373
20 10
1 11
3 4 7 8 13
14
17
18
19
16
15
12
9652A
0
ve
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o s
en
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de
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A7
AD
0
A12
AD
3
AD
0
A4
A14
AD
7
Vcc
AD
6
A13
X1
11,0592MHz
K4
1 2 3 4 5 6
A12
Vcc
AD
4
AD
2A
D0
A4
C2
33p
A13
A13
A5
R1
10k
AD
0
A5
A12
AD
6
AD
1
A8
K5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11
12
13
14
15
16
A8
A0
5V
SW1
A9
A4
AD
6
A15
A11
AD
3
AD
1
A0
AD
2
A8
A2
5V
A1
U4
27C256
10
9 8 7 6 5 4 3 25
24
21
23
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27
20
22
1
11
12
13
15
16
17
18
19
28 14
A0
A1
A2
A3
A4
A5
A6
A7
A8
A9
A10
A11
A12
A13
A14
CE
OE
VP
P
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
VCC GND
K6
1 2 3 4 5 6 7 8
AD
0A
D5
C9
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A0
A10
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4
A14
A13
A9
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5
A2
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7
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D5
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A3
AD
1
AD
2
AD
7
A9
A10
AD
5A
6A
7
AD
3
C1
10u/63V
K3
1 2 3 4 5 6 7 8A
1
K6
1 2 3 4 5 6 7 8
A12
AD
7
A2
A6
AD
3
A4
AD
2
5V
A5
AD
2
AD
3
AD
6
RA
M
Figura 29 – Circuito do microcontrolador 8031 com, RAM e ROM
50
O microcontrolador deve receber instruções da memória ROM,e para isto foi escrito
um programa em assembler que depois de compilado pôde ser gravado, através do
gravador de ROM, na EPROM ligada ao microcontrolador 8031. O fluxograma do
software gravado para o microcontrolador pode ser visualizado na figura.
inicio
Verifica teclado
Envia sinal
para AD
O AD DISPONIBILIZARÁ DADOS
NO BARRAMENTO DE DADOS DO
8031, DE QUAL ENTRADA FOR
SELECIONADA PELO SINAL
ENVIADO PELO
MICROCONTROLADOR
O MICROCONTROLADOR LÊ O
BARRAMENTO DE DADOS
O MICROCONTROLADOR ENVIA
OS DADOS LIDOS NO
BARRAMENTO PARA A SERIAL
Escolhe
opcao
Seta registrador
para realizar a
gravação
Para a
transmissão RF
Le memória RAM
e disponibiliza
dados na serial
Tecla foi pressionada
Gravar na
RAM?
Envia para a
Serial
Lê dados do
barramento
Grava dados na
memória RAM
sim
não
opcao1 nenhuma
Opcao 0
Opção0 - Entra na rotina
para descarregar dados da
RAM
Opção1 - Para a gravação na
memória RAM.
nenhuma - Realiza a
transmissão normalmente.
FIGURA 30 - FLUXOGRAMA DO FIRMWARE
51
3.4.3. Módulo 3
Este módulo é responsável pela transmissão RF realizada pelo sistema. A
transmissão será feita utilizando os dispositivos de transmissão e recepção da
Telecontrolli já explicados anteriormente. Na saída da recepção é ligada a porta serial
para receber os dados enviados.
Tanto na transmissão quanto na recepção, será utilizada uma antena do tipo
vertical, pela facilidade de confecção.
3.5. Projeto do Software
3.5.1. Visão Geral
O propósito deste software é receber dados de parâmetros lidos por sensores e
enviá-los para o computador.
3.5.2. Objetivos
Receber dados via porta serial;
Dados provenientes da transmissão RF possuem um protocolo;
Será feita uma apresentação na tela dos valores medidos;
Os dados provenientes da transmissão podem ser armazenados no banco de
dados ou não;
Os dados provenientes da memória RAM poderão ser armazenados no banco
de dados e serão apresentados na tela;
Visualização de dados do banco num gráfico.
52
3.5.3. Casos de Uso
Nome: Aquisicionar Dados dos Sensores
Atores: Usuário, Porta Serial
Descrição: O cliente pede para receber dados provenientes da transmissão serial ou do
módulo de memória RAM. É preciso escolher de onde provêem os dados, se da
transmissão ou da memória RAM. Como sabe de onde vem os dados, é capaz de
separá-los.
Exceção: Não estarem chegando dados na porta serial;
Não escolher no “form” de onde os dados estão vindo;
Nome: Recalcular Valores
Atores: Usuário
Descrição: O usuário recebe os dados que já estão separados. Aplica os fatores de
correção, armazena no banco e mostra na tela se precisar.
Exceção: Não tiver dados para efetuar o cálculo.
Nome: Mostrar Gráfico
Atores: Usuário
Descrição: O usuário passa para o sistema os horários e data para mostrar o gráfico. O
sistema de posse destes dados vai até o banco de dados recupera os valores e monta
o gráfico para ser exposto na tela.
Exceção: Não ter dados no banco para os horários e datas passados pelo usuário.
53
3.5.3.1. Diagramas de Casos de Uso
Usuario
Aquisicionar Dados
Recalcular Valores
Mostar Gráficos
Caso de uso responsável
por adquirir dados, tanto
da transmissão RF como
da memória RAM
*
*
*
*
«uses»
Caso de uso responsável
por aplicar o fator de corre-
ção nos dados provindos
da porta serial
Caso de uso responsável
por buscar dados no banco
de dados e mostrá-los
num gráfico
Responsável por iniciar os
processos de obtenção de
dados e visualização dos
gráficos.
Porta Serial*
*
54
3.5.4. Diagrama de Classes
55
3.5.5. Diagramas de Seqüência
56
3.6. Analise de Custos
Componentes de Hardware Utilizados R$ 300
Par composto de transmissor/receptor da Telecontrolli -> R$ 89,00;
Plataforma de desenvolvimento (Borland C++Builder) R$2560,00
Plataforma de desenvolvimento (OrCAD) U$12000,00
Office 2000 Std. – Educacional R$250,00
Windows XP – Home Edition R$722,00
Equipamentos de laboratório (Multímetro, osciloscópio, fonte...) R$40000,00
Computador R$2500,00
Recursos Humanos (aprox. 1000h) R$7000,00
Custo estimado da produção de um protótipo R$ 500,00
57
4. IMPLEMENTAÇÃO
4.1. Módulo 1
Como falado anteriormente o módulo 1 é a parte do projeto composta pelos
sensores e seus devidos circuitos de tratamento de sinal, além de conter a conversão
de sinal analógica para digital.
No que se refere ao tratamento dos sinais provenientes dos sensores foi
necessário implementar em todos os circuitos um filtro passa baixa passivo. Este filtro
se fez necessário já que estava existindo uma variação muito grande nos quatro
últimos bits de saída do ADC, ou seja, as saídas dos circuitos de tratamento de sinais
estavam variando rapidamente. Esta variação é impossível de ocorrer já que os sinais
medidos possuem um tempo de resposta extremamente lento.
4.1.1. Filtros
Em um filtro, os sinais que conseguem passar de sua entrada para sua saída
constituem uma faixa de freqüências chamada de banda passante. Já os sinais cujas
freqüências estão fora dessa faixa, serão atenuados pelo filtro e constituem uma outra
faixa de freqüências chamada de banda rejeitada.
Os vários tipos de filtro são caracterizados pela localização da banda passante.
Uma forma de se efetuar essa identificação é analisar o gráfico de resposta em
freqüência do filtro em questão. Os gráficos abaixo (figura 30) mostram como varia a
amplitude e a fase do sinal de saída do filtro em função do sinal de entrada.
Figura 30 – Banda Passante de Filtros
58
4.1.1.1. Filtros Passa Baixa Passivos
O filtro passa-baixas atenua sinais de altas freqüências e permite a passagem de
sinais de baixa freqüência (e vice-versa para o passa-alta) sem atenuação. O filtro
passa-baixas é representado na figura 31. A Freqüência de Corte do filtro passivo
passa baixa é dado por: f = 1/2RC.
Figura 31 – Filtro Passivo passa-baixas
Os filtros aplicados nos circuitos foram todos filtros passa baixa ativos com
freqüência de corte de aproximadamente 1,5Hz. Foi aplicada esta banda para eliminar
os ruídos provenientes da rede elétrica que possuem freqüência de 60Hz. Como a
variação dos sinais medidos é inferior a 1 Hz o filtro aplicado se mostrou extremamente
eficaz. Antes da implementação do filtro os quatro últimos bits da saída do ADC
estavam variando, com a implementação do filtro apenas o ultimo bit da saída do ADC
variava de tempo em tempo.
O capacitor utilizado para a implementação dos filtros foi um capacitor de 100F e o
resistor foi um de 1K. Pela equação apresentada anteriormente tem-se uma banda
passante de freqüências de até 1,59Hz.
4.1.2. Circuitos de tratamento de sinais implementados
Os circuitos de tratamento de sinais implementados, já com os filtros em suas
respectivas saídas estão apresentados logo abaixo. Na figura 32 esta o circuito de
tratamento de sinal do sensor de pH, na figura 33 esta o circuito de tratamento de sinal
do sensor de temperatura e na figura 34 esta o circuito de tratamento de sinal de nível
de oxigênio.
59
VAI P/ ENTRADA 1 ADC
VEM DO SENSOR DE pH
+5V
100Kohm
1 3
2
-5V
4,7K
56K
+
-
U1
LF351
3
26
7 14 5
+5V
100 micro
CAP
-5V
4,7K
1K
+
-
U1
LF351
3
26
7 14 5
VCC
6K
Figura 32 – Circuito final de tratamento do sinal do sensor de pH
60
VAI P/ ENTRADA 2 ADC
+5V
-5V
+
-U2
INA118
3
26
7 14 8 5
100 micro
CAP
VEM DO SENSOR DE TEMP
10Kohm
1 3
2
1K
Figura 33 – Circuito final de tratamento do sinal do sensor de temperatura
VAI P/ ENTRADA 3 ADC
+5V
-5V
+
-U2
INA118
3
26
7 14 8 5
100 micro
CAP
VEM DO SENSOR DE OXIG
1Kohm
1 3
2
1K
Figura 34 – Circuito final de tratamento do sinal do sensor de nível de O²
61
4.1.3. Circuito de conversão A/D implementados
Como o projeto possui três entradas de sinais analógicos, o circuito utilizado foi o
ADC 0808 já que este circuito permite a utilização de até 8 entradas analógicas, sendo
estas entradas selecionadas pelos bits de endereços que o circuito possui. Este circuito
necessita de um clock externo para a realização da conversão, sendo que para este
clock pode ser utilizado um cristal na faixa de 2 a 6 MHz. O projeto utilizou um cristal de
6MHz. A freqüência de trabalho do circuito de conversão A/D é de 1/16 vezes a
freqüência do cristal, portanto a freqüência de trabalho do circuito de conversão é de
375 KHz.
Como o projeto utiliza apenas três entradas de sinais analógicos, foram utilizadas as
entradas IN0, IN1 e IN2; as demais entradas analógicas ficaram abertas.
Para o endereçamento é necessário apenas dois bits, já que com estes dois bits
pode-se endereçar até 4 entradas. Os endereços utilizados foram A0 e A1, ligados nos
pinos P3.2 e P3.3 respectivamente do microcontrolador 8031. O endereçamento de
qual sinal deve ser convertido é feito via microcontrolador.
A referência negativa do ADC é ligado ao terra assim como o referência positiva é
ligado a cinco volts.
A saída do ADC, ou seja, os 8 bits de dados da conversão são ligados diretamente
à porta P1 do microcontrolador. O bit menos significativo do ADC é ligado ao bit P1.0
do microcontrolador e assim por diante, seguindo até o bit mais significativo do ADC
que é ligado ao bit P1.7 do microcontrolador.
O circuito implementado de conversão de sinal analógico para digital esta na figura
35.
62
Figura 35 – Circuito de conversão A/D
63
4.2. Módulo 2
O módulo 2 é composto pelo microcontrolador e a memória RAM para o
armazenamento de dados se assim o usuário quiser. Este módulo foi implementado da
maneira como fora projetado já que foi utilizado a placa padrão para microcontrolador
utilizada pela disciplina de microcontroladores. A alimentação da placa do
microcontrolador pode ser feita tanto por bateria de 9V encontrada em qualquer lugar
como também pode ser feita por uma fonte externa com tensão de até 12 volts. Foi
utilizada uma bateria de 9V para a realização de testes porém o tempo de vida útil da
bateria foi muito baixo. Isto se deve ao consumo elevado do sistema já que a placa do
microcontrolador possui uma saída de alimentação, esta a qual alimentava outros
circuitos do sistema elevando assim o consumo.
4.3. Módulo 3
O módulo 3 é composto pela transmissão via rádio freqüência realizada pelo
sistema.
A transmissão dos dados é realizada pelo transmissor RT4-XXX da Telecontrolli.
Para o circuito de transmissão, a alimentação é obtida da placa do microcontrolador,
sendo que a entrada de dados para a transmissão é obtida da porta serial do
microcontrolador. O circuito para a transmissão dos dados pode ser visualizado na
figura 36.
Figura 36 – Circuito de transmissão de dados
64
A transmissão dos dados tem uma particularidade que é o protocolo colocado antes
de cada dado a ser transmitido. Como a transmissão via radiofreqüência pode enviar
dados que não condizem com a realidade, chamados de “lixo”, é necessário criar um
protocolo para a transmissão. Antes de cada dado enviado, o microcontrolador envia
primeiramente para a transmissão um caractere ‘A’, depois é enviado o numero ‘1’ para
a transmissão de dados de pH, ‘2’ para a transmissão de dados de temperatura e ‘3’
para a transmissão de dados de nível de oxigênio. Somente depois de enviar estes
dois caracteres é que é enviado o referido dado. Isto serve para o software reconhecer
apenas os dados válidos transmitidos.
A recepção dos dados da transmissão é realizada pelo circuito de recepção RR3-
XXX da Telecontrolli. Como o circuito de recepção está localizado fora do módulo do
microcontrolador é necessário montar um circuito de alimentação para o receptor da
Telecontrolli. O circuito completo do receptor pode ser visualizado pela figura 37.
Figura 37 – Circuito de recepção de dados
É importante frisar que os pinos de GND da porta serial e do receptor devem estar
interligados.
4.4. Software
O software desenvolvido para o sistema tem três finalidades:
Receber dados da transmissão de rádio freqüência;
Receber dados provenientes da memória RAM;
Mostrar gráfico de dados armazenados no banco de dados;
65
No desenvolvimento do sistema foi elaborado um software para a verificação dos
dados recebidos pela porta serial. Este software não faz parte do sistema mas serviu
para verificar se a transmissão via rádio freqüência estava funcionando corretamente,
além de verificar os vários lixos que eram enviados na transmissão.
O software do sistema foi desenvolvido conforme as finalidades citadas. Tem-se a
janela principal para escolher para qual funcionalidade gostaria de utilizar. Figura 38.
Figura 38 – Tela principal do software do sistema
Ao se escolher a opção transmissão, o usuário é encaminhado para a tela da
figura 39; nesta opção é realizada a transmissão de dados via RF, porém para isto é
necessário deixar o microcontrolador ligado e que não esteja selecionado para
descarregar a memória RAM.
Figura 39 – Tela da transmissão RF
66
Caso o usuário escolha a opção da memória RAM, o mesmo é encaminhado
para uma tela referente a recepção dos dados da memória RAM, conforme figura 40. É
importante frisar que tanto na transmissão RF quanto na recepção dos dados da
memória RAM é necessário que a porta serial esteja ligada a seus respectivos
dispositivos.
Figura 40 – Tela da recepção de dados da memória RAM
Caso o usuário escolha a opção de relatórios é encaminhado para uma tela
onde pode visualizar os dados armazenados no banco de dados, conforme a figura 41.
67
Figura 41 – Tela de relatórios do sistema
O software desenvolvido para o sistema utiliza diversas ferramentas de
programação. O software utiliza também ferramentas encontradas na plataforma de
desenvolvimento C++ Builder.
Quando o software do sistema realiza a leitura de dados da porta serial, tanto na
recepção de dados da transmissão RF quanto na recepção de dados da memória
RAM, este utiliza uma ferramenta de programação da linguagem C++ denominada
Thread, de grande utilidade já que com isso o software pode receber os dados e
simultaneamente mostrá-los na tela para o usuário.
Já na parte de relatórios o software do sistema usufrui de um componente
denominado Tchart, presente na plataforma de desenvolvimento.
O banco de dados para o armazenamento dos dados obtidos é do tipo Paradox.
O armazenamento dos dados no banco é feito por uma classe criada exatamente para
isto. Para que se possa armazenar os dados no banco, é necessário criar um ‘Alias‘
denominado ‘Projeto_Final’, onde deve estar presente a tabela para armazenamento
dos dados. O modelo do banco de dados pode ser visualizado na figura 42.
68
Figura 42 – Modelo do Banco de Dados
69
5. RESULTADOS
Os resultados obtidos foram satisfatórios. Foi possível verificar isto comparando
dados técnicos com os dados obtidos, além de realizar a comparação dos dados
transmitidos e armazenados em memória.
Para verificar a consistência dos dados medidos foi realizada a medição dos
valores de pH do refrigerante Coca-Cola que possui um pH de 3. O dados enviado pelo
sensor de pH foi de 2,97. Esta diferença pode acontecer pelos valores inexatos dos
componentes utilizados. Outra comparação com o sensor de pH foi feita realizando a
medição da água Ouro Fino, que possui um pH alcalino de 7,8 e a medida do sensor
de pH indicou um pH de 7,72.
Para o sensor de temperatura a comparação de valores foi feita diretamente na
água depositada num pote de 1L, acrescentando e retirando gelo. Para comparar
valores, estava imerso no pote um termômetro que indicava a temperatura real. O
sensor de temperatura do sistema apresentou uma variação de 1ºC.
Em relação ao sensor de nível de oxigênio, ficou impossível realizar alguma
comparação já que o sensor adquirido já estava com sua validade vencida, além de ser
impossível precisar os valores da porcentagem de oxigênio existentes nos meios onde
foram realizados os testes do sistema.
Falando das partes do projeto em si o que tem que se comentar é que:
o O tratamento de sinais foi o principal gerador de problemas visto que ao se
trabalhar com sinais analógicos isto estava previsto. O principal problema neste
módulo foi a existência de ruídos e isto ficou evidenciado na saída do conversor
A/D já que os 4 últimos bits da conversão oscilavam. Para acabar com este
problema foi utilizado um filtro passa-baixas de 1,5Hz na saída do tratamento de
cada sinal.
o A conversão de sinais também passou por problemas já que anterior ao ADC
0808 estava sendo utilizado 3 conversores 0804. Com a troca de 3 conversores
por 1 este problema foi solucionado.
o A placa com o microcontrolador e memória RAM não apresentou nenhum
problema, já que a mesma estava montada desde o ano passado e seu perfeito
funcionamento já era conhecido. Este foi um dos principais motivos para a
utilização da mesma.
o A transmissão via radiofreqüência funcionou perfeitamente em ambientes
abertos, na distância de 30 metros, porém na transmissão em ambientes em que
70
existe obstáculo a diminuição da distância é drástica, chegando a certos
ambientes em que só funcionava numa distância de 10 metros. Para corrigir tal
problema seria necessário trocar o modelo de transmissor e receptor.
o O software do sistema foi desenvolvido seguindo as boas práticas
recomendadas, porém de inicio apresentou alguns problemas no que se refere a
armazenamento de dados no banco de dados. O problema era a conexão do
banco com o software sendo solucionado rapidamente.
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6 – CONCLUSÃO
O desenvolvimento do sistema proposto propiciou o aprofundamento e a
utilização de diversas teorias vistas ao longo do curso, tornando sua implementação
mais fácil. Em relação a proposta, o projeto seguiu praticamente à risca no que diz
respeito à proposta inicial colocada, algo que pode ser encarado como um lado
positivo. O único item que não seguido foi em relação ao sensor de nível de oxigênio.
Na proposta inicial o sensor de nível de oxigênio seria para o meio líquido, porém pelo
seu custo isto não foi possível.
Um ponto negativo visualizado foi a falta de comprometimento com o
cronograma proposto, atrapalhando no decorrer da implementação do sistema.
Para futuros melhoramentos, podendo deixar assim o sistema desenvolvido um
produto comercial, seria necessário realizar a troca dos componentes de transmissão
RF por outros mais potentes, além de implementar uma comunicação bidirecional
permitindo assim a programação de tempos e armazenamentos de dados na memória
RAM via o PC.
Os resultados obtidos podem ser considerados como excelentes já que a taxa
de variação entre os valores lidos por instrumentos manuais e os valores obtidos pelo
sistema foram praticamente os mesmos, as variações podem ter ocorrido por possíveis
ruídos no sistema ou mesmo uma melhor calibragem do mesmo.
Em relação a produtos semelhantes no mercado fica difícil fazer uma
comparação já que não existem produtos semelhantes ao sistema desenvolvido. O que
existe são produtos que realizam a medição de apenas um parâmetro.
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7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SOLUÇÕES QUÍMICAS [ONLINE] URL: www.qaw.com.br/qaw/arquivo.asp?cod=23&cn=1. Página visualizada em: 28/04/2002 – 22:41 [2] TERMOMETRIA[ONLINE] URL: http://www.fisicaevestibular.hpg.ig.com.br/ttempdil.doc. Página visualizada em: 28/04/2002 – 28/04/2004 – 20:30 [3] WERNECK, M M. Transdutores e Interfaces. Universidade Federal do Rio de Janeiro. Ed:Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1996. [4] TRANSDUTORES E SENSORES[ONLINE] URL: http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/Rafael&Trasel.pdf . Página visualizada em: 03/05/2004 - 18:39 [5] COMER, D. E. Rede de Computadores e Internet:Abrange Transmissão de Dados, Ligação Inter-Redes e Web. 2º Ed. Porto Alegre: Editora Bookman, 2001. [6] Notas de Aula da disciplina de Instrumentação Eletrônica. 3º Ano. Curso de Engenharia da Computação. Unicenp [7] Junior, A. P. Amplificadores Operacionais e Filtros Ativos. 5º Ed. São Paulo: Makron Books Editora, 1996. [8] BOYLESTAD, R.L. et al. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Rio de Janeiro: Editora Prentice Hall Ltda, 1998. [9] Gruiter, A. F. Amplificadores operacionais : fundamentos e aplicações. São Paulo: McGraw-Hill, c1988. – 9 edição [10] Apostila de Microcontroladores. Curso Engenharia da Computação. Unicenp. Disciplina: Microcontroladores, 2003. Autor:Edson Ferlin [11]NICOLASI, D. E. C. Microcontrolador 8051 Detalhado. 2º Ed. Editora Érica Ltda. São Paulo, 2001. [12] PORTA SERIAL[ONLINE] URL:www.rogercom.com, Página visualizada em: 21/04/2004 – 21:09
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[15]MÁXIMO, A. ALVARENGA, B. Curso de Física 2. 3º Ed. Editora Harbra ltda. São
Paulo, 2003.
[16] BRANCO, S. M. O Ambiente da Atmosfera. Editora Moderna
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[18] DATASHEET TX2RX2 RADIOMETRIX[ONLINE] URL: www.radiometrix.com
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[20] AQUISIÇÃO DE DADOS[ONLINE]
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