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1PUCMINAS – Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação
Resumo – Neste projeto foram aplicados os
conhecimentos em linguagem C, circuitos elétricos e
eletrônica digital para programar um microcontrolador
da família PIC que realiza um controle de 3 sensores que
deverão indicar o estado da luminosidade, temperatura e
vazamento de gás de um ambiente, e dependendo da
situação o microcontrolador age ligando um ventilador,
uma lâmpada e um exaustor. Foram explorados conceitos
como o funcionamento de um conversor analógico/digital
para a leitura dos sensores e o divisor de tensão como um
método de condicionamento de sinais de sensores que
variam a sua resistência em função de uma variável
ambiental como a luminosidade por exemplo.
Palavras-chave: Automação. Domótica. Sensores.
Sistema de controle.
I. INTRODUÇÃO
Este artigo tem como objetivo mostrar o funcionamento
de um sistema microcontrolado para monitoramento
residencial onde um microcontrolador da família PIC deverá
receber informações vindas de 3 sensores e converte-las
usando seu conversor analógico/digital interno e a partir dos
dados coletados, deverá atuar de maneiras diferentes de
acordo com o estado atual dos sensores.
II. DESENVOLVIMENTO
A. O microcontrolador
Figura 1 – O microcontrolador PIC16F877A
Um microcontrolador é um computador em um chip.
Contendo além dos componentes lógicos e aritméticos
usuais de um microprocessador de uso geral, o
microcontrolador integra elementos adicionais em sua
estrutura interna, como memória de leitura e escrita para
armazenamento de dados, memória somente de leitura para
armazenamento de programas, EEPROM para
armazenamento permanente de dados, dispositivos
periféricos como conversores analógico/digitais (ADC) e
interfaces de entrada e saída de dados.
No modelo de microcontrolador escolhido
(PIC16F877A), estaremos utilizando o conversor
analógico/digital e seus pinos de entrada e para ler o estado
dos sensores e ativar alguns equipamentos quando
necessário.
B. O sensor de gás MQ-6
O sensor é composto por um micro tubo cerâmico de
AL2O3(oxido de alumínio) e uma camada sensível de SnO2
(dióxido de estanho). Ao ser ligada a sua alimentação, uma
bobina de aquecimento é acionada para facilitar a reação
Sistema microcontrolado para monitoramento residencial
Cláudio Manoel
Paloma de Oliveira
Leandro Marcelo
Jean Lucas
Henrique Miranda
Diogo Veras
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entre o gás e os elementos sensíveis. Ele funciona fazendo
com que uma variação do nível de gás no ambiente gere
uma diferença na condutância elétrica do mesmo, que é dada
pela equação: G=1/R, sendo medido em Siemens [S]. Se
aplicarmos a função inversa, podemos transformar
condutância elétrica em resistência elétrica e para
transformarmos uma variação de resistência em uma
variação de tensão, podemos ligar o sensor em um divisor de
tensão para que a variação de tensão que será gerada pelo
sensor consiga ser lida pelo microcontrolador.
Figura 2 - O sensor de gás MQ-6
C. O sensor LM35
O sensor LM35 é um sensor de precisão, que
apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura
em que ele se encontrar no momento em que for alimentado
por uma tensão de 4-20Vdc e GND, tendo em sua saída um
sinal de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura.
O LM35 não necessita de qualquer calibração externa
para fornecer com exatidão, valores de temperatura entre –
55ºC à 150ºC. Sua interface de leitura é simples, podendo
ser ligado direto ao microcontrolador, tornando o sistema
bem menor em função disso.
Figura 3 - O sensor de temperatura LM35
D. O LDR
Sensor dependente de luz. É um componente no qual uma
variação de luz sobre ele resulta na variação de sua
resistência. O LDR não tem pinagem, com isso seus
terminais podem ser ligados de qualquer forma.
São compostos por sulfeto de cádmio (CdS) , um material
semicondutor que é disposto num traçado onduloso na
superfície do componente . Esse material tem a propriedade
de diminuir sua resistência à passagem de corrente elétrica.
Num ambiente escuro a resistência do LDR é alta ,
podendo chegar a valores próximos ou superiores a 1 MΩ.
Se a intensidade da luz incidida sobre ele for aumentada
gradativamente sua resistência diminui, com seus valores
podendo chegar próximos de 1kΩ. Devemos ressaltar que os
valores dependem de vários fatores , como componente
utilizado , a quantidade de luz como já foi citado.
Para se fazer a medida da luminosidade do ambiente
através do LDR , é preciso fazer com que a variação da
resistência do componente , seja convertida numa variação
de tensão, para este fim é utilizado o divisor de tensão.
Figura 4 - O sensor LDR
E. O divisor de tensão
Um divisor de tensão consiste em dois resistores
associados em série num circuito elétrico,
dimensionados para se obter uma dada fração da tensão
fornecida pela
bateria ou fonte de tensão aos terminais de um deles, sabend
o que a tensão aos terminais de cada um
dos resistores é diretamente proporcional à sua resistência
elétrica.Se a tensão de entrada for Ventrada e os resistores tiver
em resistências elétricas R1 e R2, então atensão de saída Vsaída
, medida aos terminais do resistor R2, é dada pela seguinte e
quação:
Vsaída =Ventrada*R2 / (R1 + R2).
3PUCMINAS – Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicação
Figura 5 - O divisor de tensão
Quando um resistor variável, ou potenciômetro, é utilizado
num divisor de tensão, a tensão de saída
pode variar continuamente entre zero e valor da tensão de
entrada.Dispositivos deste tipo são utilizados em equipame
nto eletrônico para controlar funções como o
volume, a tonalidade ou o brilho.
F. O funcionamento do conversor analógico/digital
Os fenômenos do mundo real normalmente são
analógicos. Em contradição, a tecnologia de
processamento digital está cada vez mais presente no
nosso dia a dia. Assim, são necessárias interfaces que
convertem informações analógicas para dados digitais
que são processados, e em seguida convertidas para
forma analógica. Um dos exemplos mais comuns nos
dias de hoje são os aparelhos que tocam musicas em
formato MP3, convertendo informações digitais ( a
música codificada digitalmente) para a forma
analógica (o som gerado em alto-falantes). Os sensores
utilizados nesse projeto não são diferente, pois eles
geram sinais analógicos (de 0v a 5v), mas o
microcontrolador necessita de sinais digitais, para isso,
o mesmo possui um conversor analógico/digital de 10
bits, podendo então transformar um sinal analógico de
0v a 5v para um sinal digital de 0 a 1023 bits, que
consegue ser manipulado facilmente por um programa
em linguagem C.
G. O relé
O relé é uma chave operada eletricamente. A Figura 6
mostra como funciona um relé simples. A Figura 6-a mostra
que o relé do tipo batente possui uma bobina enrolada sobre
um núcleo de aço-doce magnético. Quando a corrente flui
na bobina, o núcleo torna-se imantado e atrai a armadura. A
armadura desloca os contatos elétricos ligando os contatos.
Os contatos são localizados numa placa isolada. Quando a
corrente não flui na bobina, uma mola volta à armadura para
a posição dez energizada, na Figura 6-a. Os símbolos dos
contatos do relé são também indicados na Figura 6- a.
Quando o relé não for energizado, há contato entre A e C e
não há contato entre A e B. O relé é energizado fechando o
interruptor; isto está indicado na Figura 6-b.
Figura 6 - O relé
O núcleo magnetizado atrai a armadura, a armadura desloca
os contatos e o diagrama mostra que há contato elétrico
entre os terminais A e B. Neste momento, não há contato
entre os terminais A e C. Os contatos A e C são chamados
normalmente fechados porque na posição normal do relé dez
energizadas eles fazem contato. Os terminais A e B são
chamados normalmente abertos, porque quando o relé está
na posição dez energizada não existe contato entre eles.
Você pode pensar que nada é realizado usando o relé. Você
poderia simplesmente ter ligado os terminais A, B e C
diretamente ao invés de usar uma chave para controlar um
relé. Porém, existem várias vantagens com o sistema de
relés. Uma delas é que a corrente da bobina do relé pode ser
bastante pequena de modo que uma chave pequena possa ser
usada no circuito da bobina. Porém, os contatos do relé
podem ser ligados em circuitos de alta corrente ou alta
tensão que requerem grandes contatos de ligação. Assim,
usando um relé você pode operar uma chave pequena e
fechar um circuito de alta potência, neste projeto os
equipamentos de maior potência que serão ligados são uma
lâmpada e um ventilador.
H. O transistor
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O principio do transistor é poder controlar a corrente. Ele
é montado numa estrutura de cristais semicondutores, de
modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo
intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que
controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada
uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua
função na operação do transistor, As extremidades são
chamadas de emissor e coletor, e a camada central é
chamada de base, que é aonde é ligado o microcontrolador
para comandar o transistor.
Figura 7 - O transistor bipolar
I. Funcionamento do sistema
Utilizando a linguagem C, construímos um programa que
foi gravado em um microcontrolador, que recebe os valores
lidos pelos 3 sensores descritos acima (LDR,LM35 e MQ-6)
e atua ligando uma lâmpada, um exaustor ou um ventilador.
O estado do LDR deve indicar se está claro ou escuro,
caso esteja escuro o microcontrolador deverá enviar um
comando para ligar a lâmpada até que fique claro
novamente.
O estado do LM35 deverá indicar a temperatura, e caso
ela passe dos 30ºC um ventilador será acionado para resfriar
o ambiente.
O estado do MQ-6 indica se existe vazamento de gás no
local, e em caso positivo, um exaustor irá ser ligado para
retirar o gás do ambiente.
Todas as informações descritas acima serão mostradas
em tempo real em um display de LCD.
Foi projetada uma placa utilizando os conhecimentos
obtidos durante as aulas de projeto assistido por computador
para abrigar todos os componentes necessários para o
funcionamento do sistema e antes da placa ser montada,
todo o sistema foi simulado. Tanto para a simulação, quanto
para o projeto da placa, o software Proteus, versão 7.8 SP2
da empresa Labcenter Eletronics, (www. labcenter .com ) foi
utilizado.
Figura 8 - Vista dos componentes
Figura 9 - Vista das trilhas
J. Como os sinais são lidos pelo microcontrolador
O LDR está ligado em serie com outros 2 resistores,
formando um divisor de tensão, com isso, ao ser
variada a luminosidade em cima do LDR, ele irá variar
a sua resistência e como ele está em um divisor de
tensão, ele acabará variando a tensão sobre ele. Essa
variação de tensão é lida pelo conversor analógico/
digital do microcontrolador, fazendo com que esse
valor de tensão se torne uma variável do programa
gravado no microcontrolador.
O sensor MQ-6 assim como o LDR, necessita de um
divisor de tensão para que possamos ler o seu estado,
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para isso o sensor foi ligado em serie com um resistor,
para que quando gás for detectado, o sensor irá
responder como uma variação de tensão exatamente
como o sensor LDR que foi descrito acima.
O sensor LM35 não necessita de nenhuma ligação
especial como o divisor de tensão do LDR e do MQ-6,
pelo contrario ele foi ligado diretamente ao
microcontrolador,pois por se tratar de um sensor de
junção, consegue responder diretamente em tensão.
K. Como fazer o microcontrolador ligar equipamentos de
127 v
O microcontrolador é um componente que funciona em
5v, portanto não podemos liga-lo na mesma alimentação de
equipamentos como uma lâmpada ou um ventilador por
exemplo, pois ele se queimaria no mesmo instante que fosse
energizado. Sabendo disso, temos de isola-lo dos outros
equipamentos e deixar que outros componentes liguem
equipamentos que demandem uma maior correte e tensão, e
então fazer com que o microcontrolador comande esses
componentes.
Para este fim, estamos usando transistores que atuam
como chaves. Ao energizar a base do transistor com o nível
lógico alto, os terminais E (emissor) e C (coletor) se
“fecham” ,e ao ser conectado um relé entre esse terminais,
fazemos com que o transistor energize o relé e por
consequência acaba ligando o equipamento conectado ao
relé.
III. CONCLUSÃO
Ao finalizarmos o trabalho conseguimos na pratica ver de
que maneira as disciplinas teóricas nos ajudam a resolver
problemas e como devemos utiliza-las para entender o
funcionamento de um sistema de controle.
IV. REFERÊNCIAS
[1] SOUZA, David José; NICOLÁS, César
Lavínia. Conectando o PIC 16F877A: recursos
avançados. 3.ed. São Paulo: Érica, 2006.
[2] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica. 4. ed. São Paulo:
Makron Books do Brasil, 1997.
[3] TOCCI, Ronald J.; WIDMER, Neal S.; MOSS,
Gregory L. Sistemas digitais: princípios e aplicações. 11.
ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2011.
