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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Relatório Final
Trabalho de Graduação II
Turbidímetro com uso de fotodiodo
Autor: Walter Wascheck Neto
Orientador: Prof. Dr. Luiz Otávio
Campinas, novembro de 2013
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
Relatório Final
Trabalho de Graduação II
Turbidímetro com uso de fotodiodo
Autor: Walter Wascheck Neto
Orientador: Prof. Dr. Luiz Otávio
Curso: Engenharia de Controle e Automação
Trabalho de Graduação apresentado à Comissão de Graduação da
Faculdade de Engenharia Mecânica, como requisito para a obtenção do título de
Engenheiro de Controle e Automação.
Campinas, 2013
S.P. – Brasil
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas
pessoas e instituições às quais presto minha homenagem:
Ao Prof. Dr. Luiz Otávio cuja experiência e paciência me possibilitaram,
em 6 meses destinados a disciplina de TG2, projetar, construir e testar um
projeto de complexidade que poucos tem a oportunidade de ter contato durante
a graduação.
Ao Sr. Marcilio Messias da Silveira pelo apoio e instrução durante a
montagem do projeto.
À Faculdade de Engenharia Elétrica e Computação pela disponibilização
de estrutura e materiais usados no decorrer do projeto.
Sumário
Resumo ......................................................................... 1
Lista de Figuras .............................................................. 2
Lista de Tabelas .............................................................. 3
1. Introdução e Objetivos ................................................ 4
2. Revisão Bibliográfica ................................................... 6
2.1. Medidas de Turbidez .............................................. 6
2.2. Transmissão de sinais ............................................ 8
2.2.1. Modulação por Amplitude de pulso ..................................... 8
2.3. Turbidímetro ......................................................... 9
2.3.1. Elementos básicos ........................................................... 9
2.3.2. Modelo alvo .................................................................. 10
2.4. Acionamento pulsado de LED’s .............................. 11
2.5. Fotodiodos .......................................................... 11
2.5.1. Condicionamento do Sinal ............................................... 12
3. Circuitos Propostos ................................................... 13
3.1. Acionamento do LED ............................................ 13
3.2. Circuito Amplificador ............................................ 14
4. Projeto de circuito completo ....................................... 17
4.1. Componentes ...................................................... 17
4.1.1. PIC 18F4550 ................................................................. 18
4.2. Circuitos ............................................................ 21
4.2.1. Circuito de acionamento do LED ...................................... 21
4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23
4.2.3. Circuito para controle do dispositivo ................................. 24
4.2.4. Circuito de reset do PIC .................................................. 29
4.2.5. Circuito de alimentação .................................................. 29
4.2.6. Comunicação USB com Computador ................................. 30
4.3. Testes ............................................................... 33
5. Projeto .................................................................... 36
5.1. Projeto de circuito impresso .................................. 36
5.1.1. Layout ......................................................................... 36
5.1.2. Método para confecção ................................................... 39
5.2. Projeto da câmara escura ..................................... 42
5.3. Programação ...................................................... 45
5.3.1. Configuração ................................................................. 45
5.3.2. Comunicação USB com PC .............................................. 48
5.4. Projeto completo ................................................. 50
6. Resultados .............................................................. 52
7. Conclusões e perspectivas ......................................... 57
8. Bibliografia .............................................................. 58
1
Resumo
WASCHECK, Walter, Turbidímetro com uso de fotodiodo, Faculdade de
Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Trabalho de
Graduação.
Busca-se apresentar, de forma simples, como podemos fazer a
construção de um aparelho capaz de medir a turbidez de líquidos através do
uso de componentes eletrônicos simples e de baixo custo. São apresentados
conceitos presentes do universo da turbidimetria aplicados ao cenário técnico
de projeto de circuito eletrônico. Sugere-se o uso de um fotodiodo e são
apresentadas sugestões de circuitos e componentes eletrônicos capazes de
suprir as necessidades apresentadas pela aplicação almejada. Além disso,
apresenta-se o método de confecção de circuitos manual e os testes realizados
para mostrar que os projetos sugeridos respondem de maneira potencialmente
aplicável ao mercado.
Palavras Chave: Turbidímetro, sensores, fotodiodos, turbidez.
2
Lista de Figuras
Figura 2.1 - Representação esquemática das técnicas de medição de
turbidez ................................................................................................... 6
Figura 2.2 – Modulação por amplitude de pulso .................................. 9
Figura 2.3 – Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003) .......... 10
Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LED’s (Martins,
2012). ................................................................................................... 14
Figura 3.2 - Amplificador de transimpedância para a monitoração da
fotocorrente ........................................................................................... 15
Figura 4.1 – Pinos PIC 18F4550 ...................................................... 19
Figura 4.2 - Circuito acionador do LED ............................................. 22
Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23
Figura 4.4 Filtro para eliminar ruídos na alimentação dos componentes 24
Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequências próximas a
duas vezes a frequência do sinal. .............................................................. 26
Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing ........................................................ 27
Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema ..................................... 28
Figura 4.8 - Circuito para reset ....................................................... 29
Figura 4.9 - Circuito para alimentação de 5V constantes .................... 30
Figura 4.10 - Circuito para comunicação USB geral (Pictronics.com,
Acessado em 02/10/2013) ....................................................................... 31
Figura 4.11 - Esquemático final ...................................................... 32
Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo ................................... 33
Figura 4.13 - Comportamento da tensão em relação à distancia do
emissor ................................................................................................. 34
Figura 5.1 - Topografia da camada superior ..................................... 37
Figura 5.2 - Topografia da camada inferior ....................................... 38
Figura 5.3 - Topografia completa .................................................... 38
Figura 5.4 - Esquemático de placa de cobre genérica......................... 39
Figura 5.5 - Placa com máscara de tonner - Camada superior ............ 41
3
Figura 5.6 - Placa com máscara de tonner - Camada inferior .............. 41
Figura 5.7 - Circuito montado com componentes .............................. 42
Figura 5.8 - Esquemático da câmara escura ..................................... 43
Figura 5.9 - Câmara escura pronta .................................................. 44
Figura 5.10 - Configuração do ADCON1 ........................................... 46
Figura 5.11 - Disposição dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47
Figura 5.12 - Disposição dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47
Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID ............................. 49
Figura 5.14 - Estrutura completa montada ....................................... 51
Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentrações: 100%, 70%, 30%,
0%) ...................................................................................................... 52
Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos ............................... 54
Figura 6.3 - Intensidade de radiação transmitida teórico .................... 55
Lista de Tabelas
Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4
considerando alimentação de 3.3V. ........................................................... 13
Tabela 3.2 - Parâmetros do BPV10NF .............................................. 16
Tabela 4.1 - Componentes. ............................................................ 17
Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED. ....................... 22
Tabela 4.3 - Tensões de saída do fotodiodo ...................................... 34
Tabela 6.1 - Concentração das amostras .......................................... 52
Tabela 6.2 - Médias e desvio padrão das leituras dos fotodiodos ......... 53
Tabela 6.3 - Intensidade de radiação transmitida teórico ................... 53
4
1. Introdução e Objetivos
Atualmente, um importante problema encontrado nos cenários de
análise de efluentes e da qualidade de rios é córregos é a turbidez da água. Do
ponto de vista sanitário, a importância da medida da turbidez da água está
intimamente relacionada a três aspectos principais:
a. Estética: é comum relacionar-se água turva com água poluída,
inclusive em níveis de pequena turbidez, ou seja, a determinação
da turbidez da água pode levar a um tratamento para que ela seja
mais bem aceita pelas pessoas.
b. De filtrabilidade: em tratamento de águas, a filtração torna-se
mais difícil, ou mesmo mais onerosa, com o aumento da turbidez,
ou seja, a determinação dessa característica da água, pode levar a
adaptações no tratamento que tornem o processo menos oneroso
ou custoso em relação a tempo.
c. De desinfecção: a desinfecção da água é tanto mais difícil quanto
maior é a sua turvação, uma vez que esta diminui o contato do
desinfectante com os microrganismos, ou seja, a determinação da
turbidez pode levar á uma prévia do resultado da desinfecção.
Apesar de já existirem equipamentos para a determinação da turbidez
da água, eles ainda são caros, ou pouco precisos. Nesse cenário, o
desenvolvimento de um equipamento que seja capaz de medir a turbidez de
uma amostra, com baixo custo passa a ser um assunto de interesse.
O objetivo desse trabalho é o projeto e a construção de um medidor de
turbidez de baixo custo com uso de fotodiodos como fotodetector. O fotodiodo é
comumente associado a uma maior sensibilidade quanto a detecção de luz
(García, 2007), o que se torna muito interessante para o projeto de um
equipamento que deve, ao receber um sinal de luz, gerar dados sólidos para
interpretação quanto à turbidez da amostra analisada.
5
Para tanto, como referência, foi usado um trabalho desenvolvido por
Martins, G. S. (2012). (Construção de um turbidímetro de baixo custo para
controle de qualidade de efluentes industriais.) entretanto, houve a substituição
do fototransistor, usado pelo autor, por um fotodiodo. Um ponto importante é
que o resultado do trabalho não implica em um produto pronto, apenas em um
protótipo capaz de medir a luminosidade que atravessa uma amostra de água,
sendo que, várias mudanças relacionadas à métodos de fabricação, materiais, e
empacotamento podem ser implementadas para melhoramento dos resultados
obtidos.
6
2. Revisão Bibliográfica
2.1. Medidas de Turbidez
Quando um feixe de luz passa através de um fluido contendo partículas
sólidas, essas partículas interagem com a luz, absorvendo-a e dispersando-a
em todas as direções, essa interação é a responsável pela característica de
turbidez dos fluidos. As medidas turbidimétricas são obtidas através da
quantização da diminuição da radiação que passa pelo fluido para medir a
turbidez do meio analisado.
Para essas medidas de turbidez existem duas possibilidades, a
turbidimetria e a nefelometria. A diferença básica entre essas duas técnicas
está na disposição do detector de radiação, na primeira o detector é
posicionado a 180º do feixe incidente de luz, já a segunda mede a dispersão da
radiação num ângulo de 90º do feixe. Um arranjo esquemático e representado
na figura 2.1.
Figura 2.1 - Representação esquemática das técnicas de medição de turbidez
Além da densidade de matéria misturada ao fluido, outras características
como tamanho e formato das partículas e comprimento de onda da fonte de
radiação afetam a intensidade de radiação medida (MORAIS; RANGEL, 2006).
7
O interesse na determinação da turbidez de um fluido está, quase que
exclusivamente, na inferência da concentração de partículas em suspensão.
Existe então, a necessidade de se criar uma correlação entre a turbidez medida
e a concentração encontrada no meio, o que se torna complicado, visto que não
é só a concentração de matéria o que influência nas medidas turbidimétricas.
No trabalho de Martins, 2012 uma série de equações para determinação
da intensidade de radiação transmitida (turbidimetria) é apresentada, essas
equações relacionam a turbidez com a concentração de suspensão no meio.
Considerando I0 como a intensidade de radiação do emissor de luz que
atravessa uma amostra, a intensidade transmitida I é calculada para equação:
(2.1)
Sendo b a distância percorrida pelo feixe pelo meio analisado e τ é a
turbidez, que se relaciona linearmente à concentração C de partículas no meio,
como pode ser visto na equação:
(2.2)
Além dessas relações, o mesmo trabalho descreve a relação entre a
medida da radiação de partículas suspensas devido à incidência de feixe de luz
em determinada angulação (nefelometria) e a concentração de partículas:
(2.3)
8
A constante K está ligada ao instrumento usado para a medida, assim
como às condições experimentais usadas para seu cálculo. As equações
apresentadas levam em consideração um ambiente de teste com características
definidas e parâmetros pré-definidos, por exemplo, a concentração do líquido,
que deve ser calibrada com uso de amostra padrão, não usada nesse projeto.
2.2. Transmissão de sinais
Quando existe o interesse na transmissão de informações, por meio de
sinais, através de algum canal que separa um transmissor do receptor é
necessário que o sinal passe por dois processos diferentes, o primeiro é
chamado de modulação no qual o sinal, contido em uma onda portadora, sofre
um deslocamento de frequência para uma faixa que possibilite a transmissão
pelo emissor ou transmissor, e o outro é a demodulação, que restaura o sinal
original pelo processo inverso no receptor.
2.2.1. Modulação por Amplitude de pulso
Nesse tipo de modulação, o sinal portador consiste de um trem de pulsos
retangulares periódicos, onde as amplitudes dos pulsos retangulares variam de
acordo com os valores das amostras do sinal que contem a informação
desejada (HSU, 2003). Essa modulação fornece outro formato da onda em
forma de pulsos que contem a informação presente na onda com as
informações desejadas. Para a implementação desse tipo de modulação, a
frequência dos pulsos deve seguir o teorema de Nyquist, ou seja, a frequência
dos pulsos deve ser maior ou igual a duas vezes a maior frequência da onda
com as informações desejadas. Um exemplo de modulação por amplitude de
pulso pode ser observado na Fig. 2.2
9
Figura 2.2 – Modulação por amplitude de pulso
2.3. Turbidímetro
2.3.1. Elementos básicos
Como demonstrado na Figura 2.1, existem dois elementos básicos na
composição de um Turbidímetro, além da amostra a ser analisada, esses
elementos, entretanto, precisam ser escolhidas de forma a proporcionar o
melhor resultado de leitura e análise. Os elementos serão descritos abaixo.
(a) Fonte de luz
Para a aplicação descrita existem dois tipos de fonte de luz: as
policromáticas e as monocromáticas. As primeiras contem diferentes
comprimentos de ondas, o que pode causar interferência nas medidas de
turbidez, já que a amostra em questão pode absorver alguns comprimentos de
10
onda específicos e reduzir a intensidade de luz dispersa. Já as luzes
monocromáticas podem ser selecionadas de forma a não ter nenhuma parte de
sua intensidade absorvida, visto que os comprimentos de onda contidos em seu
espectro são bem específicos.
(b) Fotodetector
Uma forma de converter a luz proveniente da interação entre a luz
emitida pela fonte e a matéria contida na amostra é o uso de fotodetectores,
que transformam a luz recebida em um sinal elétrico. Os tipos de fotodetectores
encontrados são: tubos fotomultiplicadores, fotodiodos de vácuo, fotodiodos de
silício, fototransistores e fotoresistores de sulfeto de cádmio (Martins, 2012). A
sensibilidade de cada um desses fotodetectores varia, e deve ser levado em
consideração quando no projetos de um turbidímetro.
2.3.2. Modelo alvo
O turbidímetro alvo desse estudo utiliza um modelo de quatro feixes
modulados, apresentado na figura 2.3.
Figura 2.3 – Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003)
Esse modelo faz uso de duas medições para obter um resultado livre de
erros. Duas medições acorrem a cada 0.5 segundos, em uma primeira fase, o
11
emissor 1 emite um feixe de luz pulsada diretamente até o detector 1, que
mede a luz transmitida, o detector 2, por sua vez, mede a luz dispersada a 90º
simultaneamente. Na segunda fase, o emissor 2 emite o feixe de luz pulsada, o
detector 1 mede a luz dispersada a 90° e o emissor 2 mede a luz transmitida. O
algoritmo usa os dados obtidos nas medidas de forma a eliminar os erros nas
medições o que torna o modelo consideravelmente preciso em faixas pequenas
de NTU (Nephelometric Turbidity Units).
Para a implementação desse modelo, são necessário duas fontes de luz e
dois detectores, a proposta é usar dois LED’s como fontes e dois fotodiodos
como detectores. Entretanto, para fins de validação do projeto, levando-se em
consideração o pouco tempo para projeto e prototipagem, o algoritmo do
modelo não será seguido na íntegra, apenas a leitura do sinal será feito, o que
por si só valida o circuito a projetado durante esse trabalho.
2.4. Acionamento pulsado de LED’s
Para a modulação por amplitude de pulso, é necessário que um sinal
portador seja gerado como mostrado na seção 2.2. Para a aplicação, o sinal
portador será um trem de pulsos na forma do acionamento pulsado de um LED.
Para eliminar o offset entre o aparelho e a luz ambiente, um LED é
pulsado e a luz medida nos receptores quando e LED está ligado e quando está
desligado. Para esse acionamento podemos usar o PIC 18F4550 em conjunto
com o circuito de dreno de corrente responsável por alimentar o LED com a
corrente necessário para a emissão necessário ao projeto.
2.5. Fotodiodos
Como forma de contornar o problema imprecisão do sistema em regiões
de baixa turbidez, García et al. (2007) sugere o uso de fotodiodos como
fotodetectores ao invés de fototransistores, mais especificamente fotodiodos do
tipo AEPX65 com um pico de recepção em torno de 820nm e uma banda
12
espectral média de 400nm, visto o comprimento de onda emitido pelo LED
sugerido por Martins (2012) tem aderência com a recepção do fotodiodo.
Fotodiodos são dispositivos optoeletrônicos que geram eletricidade
quando na presença de luz emitidas em comprimentos de onda entre 300nm e
1100nm, seu comportamento é linear e reflete, na corrente, o observável na
radiação incidente, apesar de seu comportamento de saída ser afetado por
características externas, como temperatura, na aplicação em questão, esses
tipos de distúrbio podem ser desconsiderados.
2.5.1. Condicionamento do Sinal
Na aplicação proposta, usaremos um circuito amplificador, com a intenção
de condicionar o sinal para a conversão analógico-digital feita pelo PIC, visto
que o ganho de corrente decorrente da variação de luminosidade incidente é
muito pequeno em fotodiodos.
O sinal emitido pelo LED será modulado pelo líquido analisado e capturado
pelo fotodiodo, o fotodiodo fará e conversão do sinal luminoso em sinal elétrico
que será amplificado pelo circuito amplificador, entretanto, o sinal adquirido
precisa ser demodulado para que o sinal original (a turbidez do líquido) seja
obtido. Para isso usa-se um filtro passa-baixa projetado para um sinal de
frequência muito baixa, a função de transferência é mostrada na equação 2.4
(Martins, 2012).
( ) ( )
(2.4)
A partir do sinal demodulado passamos a ter a informação necessária
para definição de turbidez, que só pode ser feita a partir de uma curva que
relaciona o sinal obtido pelo fotodiodo e uma escala de turbidez, essas curvas
podem ser observadas nos trabalhos de García et al. (2007) e podem ser
usadas, na continuação desse trabalho para futuro desenvolvimento de
equipamento em escala comercial.
13
3. Circuitos Propostos
3.1. Acionamento do LED
Existe a necessidade de fazer com que os led sejam pulsados, para que o
sinal portador seja um trem de pulsos, para essa aplicação o circuito
apresentado na figura 3.1 será usado juntamente com o PIC 18F4550, que
controlará a frequência dos pulsos.
O circuito apresentado na figura 3.1 apresenta o circuito para o
acionamento do LED, como a proposta é usar um LED com alta emissão,
usaremos o componente TSAL6400, que emite a 940nm e, se alimentado com
uma corrente de 1 A, emite numa intensidade de 310 mW/sr. Para o dreno de
corrente de 1 A, é necessário o uso do transistor BC868 que consegue conduzir
tal corrente. Para o circuito, o componente crítico para definição da corrente no
LED é o resistor R4, para essa definição, alguns testes foram realizados em
simulador virtual, os resultados são apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4 considerando
alimentação de 3.3V.
Resistência de R4 Corrente no LED1
1 Ω 818.77 mA
0.5 Ω 1.62 A
0.7 Ω 1.16 A
0.8 Ω 1.01 A
14
Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LED’s (Martins, 2012).
Dessa forma, para que a corrente desejada, existe a necessidade de um
resistor, ou associação e resistores, de 0.8 Ω, parâmetro esse, usado no
circuito.
Testes práticos com o circuito montado em protoboard e com
alimentação e 3.3V mostraram que a corrente que passa pelo fotodiodo é de
aproximadamente 1A . Durante o processo de concepção do circuito, a
alimentação usada no circuito mudou, o que levou a mudança, também, do
valor de R4.
3.2. Circuito Amplificador
A demodulação de sinais de sensores interferométricos é precedida por
uma etapa de detecção e condicionamento da fotocorrente de saída do sensor
(A. R. Z. Nascimento, 1999). Nesse contexto, o ganho de corrente obtido pelo
fotodiodo proposto para o projeto é muito baixo, e para que possamos fazer a
análise dos sinais obtidos pelo componente é necessário que um circuito
15
amplificador seja usado (Analog Devices, High Impedance Sensors), o circuito
apresentado na Figura 3.2 é amplamente usado para esse fim, pois amplifica o
sinal com um bom ganho e elimina o problema da corrente de escuro do
fotodiodo.
Figura 3.2 - Amplificador de transimpedância para a monitoração da fotocorrente
Podemos usar um fotodiodo BPV10NF, compatível com emissores que
emitem de 870nm a 950nm. Como amplificador operacional sugere-se o uso de
um AD711JNZ. Além disso, a montagem sugerida é composta por RR=100kΩ e
CR=1,8pF, para um ganho de transimpedância de 105. (A. R. Z. Nascimento,
1999).
Os critérios para a escolha dos fotodiodos foram a gama do comprimento
de onda detectado, o comprimento de onda de máxima sensibilidade, o tempo
de subida e o tempo de descida, e o ângulo de meia sensibilidade.
Com essas informações o modelo do fotodiodo escolhido foi o BPV10NF do
fabricante Vishay. As características desse componente, obtidas no datasheet
são mostradas na Tabela 3.2.
16
Tabela 3.2 - Parâmetros do BPV10NF
Parâmetro Condições de
teste Símbolo Valor
Comprimento de Onda λ 0,5 790 a 1050 nm
Comprimento de Onda
para máxima
sensibilidade
λ p 940 nm
Noise Equivalent power VR = 20V
λ= 950 mm NEP 3x10-14 W√
Detectividade VR = 20V
λ= 950 mm D 3x10124 cm√
Tempo de subida
VR = 50V
RL = 50Ω
λ= 820 mm
tr 2,5 ns
Tempo de descida
VR = 50V
RL = 50Ω
λ= 820 mm
tf 2,5 ns
Meio Ângulo de
sensibilidade Φ ±20 °
Além dessas características, outras pontos importantes desses fotodiodos
são o fato de possuírem uma área sensível a radiação de 0,78 (mm2) e
possuírem ainda um filtro para bloquear a radiação fora da largura de banda
dos 870 nm até aos 950 nm no empacotamento.
17
4. Projeto de circuito completo
4.1. Componentes
Como proposto anteriormente no capítulo 3, usaremos alguns
componentes sugeridos na bibliografia, já que estes possuem as características
necessárias para as aplicações do projeto. A seguir, os componentes serão
expostos com suas funções e características determinantes para sua escolha.
É importante notar que houve mudança em alguns componentes
anteriormente sugeridos já que, para os testes, não eram necessários
componentes compatíveis com montagem em placa de circuito impresso. Nessa
etapa, onde há necessidade de sinal com menos ruído se faz necessária uma
montagem que elimina esses erros no sinal.
Entretanto, é importante salientar que os componentes mais indicados
para essa finalidade (do tipo smd) são de difícil montagem e exigem
equipamento próprio para essa montagem. Como essa estrutura não é
encontrada com facilidade no meio universitário, alguns componentes usados
na montagem foram mantidos em versões maiores e que não exigiam
equipamentos especiais para sua soldagem.
Alguns componentes críticos ao projeto são apresentados na tabela 4.1,
assim como algumas informações relevantes sobre cada um deles.
Tabela 4.1 - Componentes.
Componente Modelo Quantidade Preço unitário
[U$]
Preço total
[U$]
Transistor BC868 4 0,51 2,04
Emissor TSAL6400 2 0,55 1,10
Fotodiodo BPV10NF 2 0,99 1,98
Amplificador
Operacional AD711JRZ 2 3,00 6,00
Controlador PIC
18F4550 1 5,36 5,36
18
Além dos componentes exibidos na tabela 4.1 ainda temos de considerar
os componentes acessórios, que compreendem os capacitores e resistores.
Esses componentes são mostrados nos próximos tópicos, que especificam os
circuitos a serem usados no projeto.
Como dito anteriormente, o componentes responsável pela integração de
todas as funções do projeto será o microcontrolador PIC 18F4550, portanto, é
importante que esse componente seja descrito com mais detalhes.
4.1.1. PIC 18F4550
O PIC18F4550 é um microcontrolador de 8 bits com arquitetura Havard e
conjunto de instruções tipo RISC, possui uma memória interna de 32 Kbytes
para armazenamento do programa residente e 2048 bytes de memória RAM.
Sua tensão de alimentação varia de 4 a 5,5 V e sua frequência de operação é
de até 48MHz, a esta frequência o PIC é capaz de executar até 12 milhões de
instruções por segundo (Miyadaira, 2009).
O microcontrolador possui 40 pinos dos quais 35 podem ser configurados
como portas I/O, 13 conversores A/D com 10 bits de resolução cada e tempo de
amostragem programável, dois comparadores analógicos, uma comunicação
EUSART, um timer de 8 bits e três timers de 16 bits cada, um módulo de
detecção de tensão alta/baixa (HLVD) e um módulo USB 2.0 com a capacidade
de operar nos modos low-speed (1,5Mbps) ou full-speed (12Mbps) (Miyadaira,
2009). A pinagem do componente pode ser observada na figura 4.1.
19
Figura 4.1 – Pinos PIC 18F4550
A descrição de cada pino do microcontrolador pode ser encontrada no
datasheet do fabricante (Microchip Technology Inc.). É possível perceber que
devido a grande versatilidade do microcontrolador existem vários pinos que
desempenham mais de uma função e portanto, precisam ser programados de
acordo com a função desejada.
Para que os microcontroladores executem as tarefas desejadas é
necessário que ele seja programado. Existem diversas linguagens de
programação as mais comuns em microcontroladores são o assembly, basic e
C.
A linguagem C tornou-se rapidamente uma linguagem “popular” entre os
programadores. O C foi usado para desenvolver o sistema operacional UNIX, e
ainda hoje está sendo usada para desenvolver novas linguagens. Para que o
programa fonte seja interpretado pelo microcontrolador é necessário que ele
seja convertido para código de máquina e posteriormente gravado em sua
memória interna, o MPLAB é uma plataforma de desenvolvimento fornecida
gratuitamente pela Microchip (www.microchip.com) que tem como função gerar
20
os códigos que poderão ser gravados no microcontrolador PIC. Para a
programação do PIC a ser usado no projeto, o MPLAB será usado como
plataforma de programação.
Os pinos mais importantes para a aplicação desejada serão descritos
abaixo, entretanto, sua configuração completa será mostrada posteriormente.
(Microchip Technology Inc.).
a) Pino 1 - MCLR/VPP/RE3
Pino responsável pelo reset ou Master Clear input. Esse pino é ativo em
baixa, ou seja, quando recebe um sinal baixo, reseta o pic. Nas
aplicações mais comuns, um botão é ligado a essa porta, dessa forma,
quando o botão é acionado, o pic é resetado.
b) Pinos 2 e 3 - RA0/AN0 e RA1/AN1
São pinos de entradas analógicas ou entradas e saídas digitais. No
projeto proposto, como teremos que adquirir 2 sinais analógicos
produzidos pelo fotodiodo, usaremos essas duas portas como entradas
analógicas. Sua configuração é definida pela configuração de PORTA.
Essa porta faz a conversão de analógico para digital, e por se tratar de
um microprocessador de 8 bits, os valores convertidos podem variar de
0 a 255.
c) Pinos 11 e 32 – VDD
Alimentação positiva do PIC. No projeto, faremos a alimentação com
+5V.
d) Pinos 12 e 31 – VSS
Pino de referência para o PIC. No projeto, ligaremos esses pinos ao GND.
e) Pinos 13 e 14 – OSC1/CLK e OSC2/CLKO/RA6
21
O OSC1 é a entrada do sinal do cristal oscilador, já o OSC2 é a saída do
sinal do cristal oscilador, essas duas portas serão ligadas a um cristal
oscilador para geração de clock para comunicação USB, que dependem
desse clock para fazerem a comunicação. No nosso caso usaremos um
cristal de 20MHz.
f) Pinos 16 e 17 – RC1 e RC2
São Entradas/Saídas digitais, que devem ser programadas pelo PORTC.
No projeto, serão usadas como saídas que controlarão a ligação dos
emissores.
g) Pino 18 – VUSB
Regulador da tensão de saída da ligação USB (3.3V).
h) Pinos 23 e 24 – D- e D+
São os pinos usados para a comunicação USB.
4.2. Circuitos
4.2.1. Circuito de acionamento do LED
Para o circuito de acionamento do LED usamos um circuito de dreno de
corrente, que possibilite uma corrente de 1 A no LED. Usaremos uma fonte de
5V, o que por simulação nos leva à configuração mostrada na figura 4.2. É
interessante notar que os valores obtidos levam em consideração o circuito com
entrada vinda do PIC em baixa, ou seja, o transistor posicionado na mesma
linha do LED está conduzindo. No caso em que o sinal do PIC é alto, o transistor
na linha do LED não conduz, e o componente fica apagado.
22
Figura 4.2 - Circuito acionador do LED
Além do uso de resistores, se faz necessária a seleção dos transistores a
serem usados na montagem e do emissor propriamente dito. Os componentes
selecionados são apresentados na Tabela 4.2. Nessas tabelas são apresentadas
algumas características importantes dos componentes.
Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED.
Componente Modelo Característica
Transistor BC868
Transistor para altas correntes e com
grande capacidade de dissipação. Consegue conduzir até 2A.
Emissor TSAL6400
Diodo emissor infravermelho que trabalha com comprimento de onda de 940nm. Além
disso, com uma corrente de 1A, esse componente emite com intensidade de
310mW/sr.
Sinal
do
PIC
23
Como podemos notar pelas características dos componentes, é necessário
que uma corrente de 1A alimente o emissor para que obtenhamos máxima
emissão, o que é importante por estarmos lidando com um fotodiodo receptor.
A escolha de um resisto de 1,2Ω torna passível uma corrente de 1A,
considerando uma alimentação de 5V, entretanto, para que o transistor não
seja danificado, ele precisa ser apto a conduzir corrente dessa magnitude,
portanto o uso do transistor proposto resolve esse problema já que esse
componente aguenta correntes de pico de até 2A.
4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo
Como ponto crítico do projeto, o circuito para condicionamento do sinal
recebido pelo fotodiodo precisa, necessariamente, evitar qualquer tipo de ruído,
visto que esse sinal será lido e interpretado na forma de turbidez da amostra. O
circuito projetado é apresentado na figura 4.3.
O componente mais importante para a funcionalidade do circuito é o
amplificador operacional. Dessa forma, o modelo escolhido foi o AD711. Esse
modelo apresenta boa velocidade e alta precisão, oferecendo alta desempenho
a um preço razoável. O desempenho em relação a ruído é excelente (máximo
ruído de tensão 4µV) e a entrada necessária ao componente é mínima (2mV).
Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo
24
4.2.3. Circuito para controle do dispositivo
A integração dos dois circuitos é feita através do projeto do circuito de
controle. Para esse projeto alguns pontos tem que ser levados em
consideração, sendo o principal deles o fato de existir a necessidade de
eliminarmos ao máximo os ruídos.
Para tanto, é necessário que a alimentação do PIC e dos Amplificadores
Operacionais passe, antes de chegar a esses componentes, por um filtro passa-
baixa comumente usado para aplicações eletrônicas. Esse arranjo de
componentes e mostrado na figura 4.4.
Figura 4.4 Filtro para eliminar ruídos na alimentação dos componentes
O circuito acionador de LED depende de um sinal do PIC para que
funcione em condições plenas e, como visto anteriormente, esse sinal deve ser
periódico, com 1 pulso a cada segundo em cada LED, sendo que os pulsos de
um LED são separados dos pulsos do outro LED por 0,5 segundos. As portas
selecionadas para essa aplicação foram as dos pinos 16 e 17 (RC1 e RC2) que
serão configurados como saídas digitais.
O circuito de leitura deve estar ligado a uma porta com conversor
analógico-digital, portanto foram escolhidas a portas 2 e 3 (RA0 e RA1) que
devem ser configuradas como entradas e cada fotodiodo usará um canal para
sua conversão. Os sinais obtidos nessas portas são convertidos de analógico
(leitura da intensidade da luz) para digital.
25
Como citado anteriormente, na sessão 1.3.2, a leitura deverá ser feita
pelos fotodiodos a cada 0,5 segundos, ou seja a uma frequência de 2 Hz. Para
digitalizarmos um sinal analógico, como primeira etapa, é necessária a filtragem
anti-aliasing, feita no próprio circuito, que se baseia no teorema de Nyquist.
O Teorema de Nyquist ou teorema da amostragem define que a
quantidade mínima de amostras que deve ser obtida de um sinal analógico a
ser digitalizado deve ser duas vezes a maior frequência deste sinal, esse
teorema, se aplicado, possibilita a recuperação do sinal digitalizado, já que a
reconstrução do sinal analógico apresentará poucos erros.
Antes do processo de amostragem um filtro passa baixa é usado para
atenuar as componentes de alta frequência do sinal que não são essenciais para
a informação contida nele, dessa forma o sinal é amostrado a uma taxa
ligeriramente mais elevada do que a taxa de Nyquist. Evitando o problema de
aliasing que pode ser observado na figura 4.5. (Roger)
Na figura, a frequência de amostragem (fam) é apresentada em 3
situações diferentes, sendo que a única situação onde não há perda no sinal é a
na qual a fam é maior que duas vezes a frequencia do sinal original. No caso
em que a amostragem ocorre em frequência menor que o dobro da frequencia
do sinal, o sinal reconstruido posteriormente apresenta periodo diferente do
original, o que impossibilita a real análise do sinal analógico.
26
Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequências próximas a duas vezes a frequência do
sinal.
No caso do projeto do turbidímetro, a frequência de amostragem é 2Hz,
portanto a frequência de corte do filtro a ser incluído na saída do circuito
amplificador da leitura do fotodiodo deve ser maior que 4 Hz. Usando a fórmula
3.1 abaixo, onde é a frequência de corte, é possível definir os valores de R e
C usados no circuito da figura 4.6 (filtro passa baixa).
(4.1)
27
Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing
Com uma resistência de 25 kΩ e um capacitor de 1,5uF obtemos um filtro
com frequência de corte igual a 4,25 Hz, o que satisfaz o teorema da
amostragem e, portanto, elimina o problema de aliasing na conversão
analógico-digital.
O resultado da integração dos circuitos apresentados anteriormente pode
ser visto na figura 4.6. Note que a alimentação do PIC é precedida pelo filtro
citado anteriormente, o que deve ser feito também na alimentação dos
amplificadores operacionais evitando os ruídos causados pelos outros
componentes que partilham da fonte. Além disso, o filtro anti-aliasing projetado
anteriormente é incluído na saída dos amplificadores operacionais usados na
amplificação do sinal lido pelo fotodiodo.
O esquemático apresentado na figura 4.7 mostra apenas os circuitos
responsáveis pelas funções principais do projeto, entretanto ainda é necessário
que circuitos acessórios sejam incluídos para garantir o funcionamento.
Os circuitos de alimentação 5V, reset do pic e comunicação USB serão
apresentados posteriormente e integrados ao projeto final.
28
Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema
29
4.2.4. Circuito de reset do PIC
Esse circuito simples tem como função resetar o pic, assim quando
desejarmos alguma leitura do equipamento, basta apertar esse botão para
obtermos uma resposta. O esquemático é apresentado na figura 4.8.
Figura 4.8 - Circuito para reset
4.2.5. Circuito de alimentação
Como pode ser notado no circuito de controle, a alimentação usada para o
acionamento dos LED’s e bom funcionamento do circuito como um todo foi
definida como 5V, e os componentes do circuito foram escolhidos levando-se
em consideração essa definição. Entretanto, muitas vezes, as fontes de
alimentação apresentam ruídos e carregam erros que podem refletir em
resultados contaminados nos sinais do circuito. Para evitar esse problema, um
circuito de alimentação foi projetado para fornecer ao circuito os 5V necessário,
como o mínimo de ruídos e erros possíveis.
30
Nesse circuito é usado o regulador de tensão L7805, seu funcionamento
consiste em pegar um sinal de entrada, que pode variar de 6V até 34V, e
manter o sinal de saída fixo em aproximadamente 5V. São usados alguns
capacitores, na entrada e na saída para minimizar ainda mais os ruídos. O
circuito pode ser observado na figura 4.9.
Figura 4.9 - Circuito para alimentação de 5V constantes
4.2.6. Comunicação USB com Computador
Para que os dados possam ser analisados, é necessário que o circuito se
comunique com um computador, para tanto, o PIC18f4550 conta com dois
pinos (D- e D+) responsáveis pela comunicação USB, além desses dois pinos,
31
outros pinos são usados para o projeto dessa aplicação. Um circuito geral para
comunicação PIC-PC viu USB é mostrado na figura 4.10. Esse mesmo circuito
será incorporado ao projeto esquemático final que é apresentado da figura
4.11.
Como pode ser notado na figura 4.10, existe a necessidade de inclusão de
um cristal, que nesse caso será de 20Mhz, além disso, nesse esquemático, não
são consideramos os capacitores que devem ser acoplados ao cristal que, para
essa frequência, devem ser de 15pF entre VDD e Ground.
Figura 4.10 - Circuito para comunicação USB geral (Pictronics.com, Acessado em
02/10/2013)
32
Figura 4.11 - Esquemático final
33
4.3. Testes
Para validar parte do projeto, o circuito de acionamento do emissor foi
montado em uma protoboard e testado de forma experimental. O emissor foi
acionado com 1 A para máxima emissão e o fotodiodo teve sua saída medida
para verificar se a leitura estava sendo feita. Nessa etapa não foi feita
conversão analógico digital pois não existia necessidade de interpretação da
leitura, apenas de verificação se esta estava sendo feita.
Para fins de teste, em uma sala escura, o emissor foi posicionado a
diferentes distâncias do fotodiodo, sem nenhum obstáculo, para cada distância,
a saída do fotodiodo foi medida.
Os fotodiodos precisam de algum circuito de aquisição, caso contrário,
não servem aos seus objetivos, já que os valores de corrente gerados são muito
baixos. Para o projeto esse problema foi resolvido com um circuito amplificador,
entretanto, para esse teste em protoboard, outro circuito foi usado, apenas
para verificar o comportamento do fotodiodo, o circuito é sugerido pelo próprio
datasheet do componente e é mostrado na figura 4.12.
Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo
34
Abaixo, na tabela 4.3, são exibidas as leituras do voltímetro para
diferentes distâncias do emissor. E um gráfico desse comportamento na Figura
4.13.
Tabela 4.3 - Tensões de saída do fotodiodo
Distância Tensão
1 cm ≈4,7V
2 cm ≈3,8V
3 cm ≈3,1V
4 cm ≈2,4V
5 cm ≈1,2V
6 cm ≈0,7V
7 cm ≈0,7V
8 cm ≈0,3V
9 cm ≈0,2V
Figura 4.13 - Comportamento da tensão em relação à distancia do emissor
35
Podemos notar que, caso o teste fosse feito em ambiente iluminada, o
fotodiodo saturaria rapidamente, já que a intensidade luminosa do emissor
somada a luminosidade ambiente levaria o fotodiodo a tensão máxima de
resposta, rapidamente.
36
5. Projeto
5.1. Projeto de circuito impresso
O projeto do circuito impresso é extremamente importante, pois ele é
essencial para o bom resultado do projeto. Para esse projeto, será utilizado o
mesmo software usado para o projeto dos circuitos esquemáticos apresentados
anteriormente, o EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE. A seguir, serão mostrados os
passos para o desenvolvimento do circuito impresso. Partimos do esquemático
apresentado na figura 5.10, o qual o software transporta para o ambiente de
desenvolvimento de layout de circuitos impressos. Nesse ambiente, torna-se
necessário que os componentes sejam organizados espacialmente e as ligações
entre os mesmos seja feita de forma a não prejudicar os resultados esperados.
5.1.1. Layout
Como foi dito anteriormente o software usado para o projeto faz,
automaticamente, o transporte dos componentes do ambiente esquemático,
mostrado na figura 4.10 para o ambiente de projeto de placa impressa. Essa
mudança de ambientes leva, do ambiente anterior, apenas os componentes
(nas dimensões corretas) e a ligação virtual entre eles, ou seja, os pinos dos
componentes que receberão o mesmo sinal estarão ligados por uma linha,
entretanto essa ligação não representa nada físico, apenas uma relação de
sinais. As ligações físicas, ou trilhas, devem ser projetadas manualmente, assim
como a disposição dos componentes na placa.
Nesse sentido, é interessante lembrar que as trilhas dos circuitos podem
ser projetadas nas duas camadas de cobre, a superior (onde os componentes
estarão) ou a inferior. A ligação entre as trilhas na camada superior e inferior é
feita através de furos na placa. A vantagem do projeto nas duas camadas está
no fato de que as trilhas que, se estivessem na mesma camada se cruzariam,
não se cruzam quando em camadas diferentes, porque estão separadas por um
material isolante.
37
Outro fator importante é a definição da espessura da trilha, esse quesito
impacta diretamente no processo de confecção da placa impressa, como o
processo usado nesse projeto será manual, é importante que a espessura das
trilhas seja um pouco maior, no nosso caso, as trilhas foram projetadas com
0.81 mm. (Mecatrônica Fácil, 2005)
Como a versão do programa EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE fornecida
para estudantes não é a versão completa, existe um limite no tamanho da placa
que foi respeitado no projeto em questão. As figuras 5.1 e 5.2 mostram o
layout do circuito, a primeira representa a camada superior, e a segunda, a
camada inferior.
Figura 5.1 - Topografia da camada superior
38
Figura 5.2 - Topografia da camada inferior
Figura 5.3 - Topografia completa
39
5.1.2. Método para confecção
Por se tratar de um protótipo de equipamento, definiu-se que o circuito
será feito manualmente, pela falta de equipamento de impressão de circuitos e
pelo elevado custo da contratação de empresas para fazerem esse serviço. É
importante notar que, esse custo, em um processo escalonado e de grande
volume de produção acaba sendo diluído, o que não ocorre em produção
unitária, como o caso desse projeto.
Para o projeto usamos placas de fenolite, recobertas por filmes de cobre,
essas placas são a base para o circuito, trata-se, basicamente, de placas de
fenolite (existem ainda placas de fibra de vidro ou outro polímero), com as duas
faces cobertas por uma fina camada de cobre, um esquemático é mostrado na
figura 5.4. O substrato de fenolite existe para isolar as duas faces do cobre,
impedindo que haja interferência entre os sinais transmitidos em cada uma
delas.
Figura 5.4 - Esquemático de placa de cobre genérica
Esse material será usado para a confecção do produto, através de um
processo de corrosão do cobre, nas áreas onde ele não necessário, é
responsável pela formação das trilhas de comunicação entre os componentes do
circuito. Como primeira etapa, é necessário transportar, para a placa, o
40
desenho do circuito a ser “impresso” na placa, essa transferência é feita através
de um processo térmico de transferência de tonner.
O circuito é impresso em papel do tipo transparência (usado em
retroprojetores), essa impressão deve ser feita em impressoras a laser. Após
essa impressão, o papel deve ser colocado sobre a placa e aquecido. Esse
processo permite que o tonner sofra o processo de fundição o que permite ao
tonner aderir ao cobre formando uma máscara do que, futuramente, será o
circuito impresso. A placa com essas máscaras são mostradas nas figuras 5.5 e
5.6.
Essa placa é imersa em percloreto de ferro, responsável pela corrosão do
cobre apenas nas regiões não protegidas pela máscara, o processo dura
aproximadamente 15 min e culmina em uma placa de fenolite com as trilhas do
circuito em cobre que são recobertas por estanho para facilitar a montagem dos
componentes.
A etapa final da preparação da placa envolve a furação, responsável pela
comunicação entre as duas faces da placa e pela montagem de componentes
que necessitam de furos para serem montados. Após a furação, a placa está
pronta para montagem dos componentes. A placa completa é mostrada na
figura 5.7. Antes da utilização da placa, as ligações foram conferidas para
garantir que todas as comunicações de sinais estivessem ocorrendo
corretamente, inclusive as comunicações entre as faces, que exigem a aplicação
de estanho nos furos.
Como pode ser notado na figura 5.7, os emissores e receptores do
sistema não estão montados na placa, pois deverão ser montados em outra
estrutura e ligados à placa por fios.
41
Figura 5.5 - Placa com máscara de tonner - Camada superior
Figura 5.6 - Placa com máscara de tonner - Camada inferior
42
Figura 5.7 - Circuito montado com componentes
5.2. Projeto da câmara escura
Como forma de obter o melhor resultado da leitura de luminosidade
usado para aferimento da turbidez, é necessário a leitura seja feita em
ambiente com a menor interferência possível do meio externo, para isso, uma
câmara escura foi idealizada essa câmara consiste basicamente de uma caixa
com 4 furos (1 em cada face lateral) e uma tampa. Os emissores e receptores
serão acoplados nesses furos, sendo que cada emissor se localizada em posição
diametralmente oposta ao respectivo receptor.
43
O esquemático da câmara é mostrado na Figura 5.8. Trata-se de um
cuba de 5 cm de arestas com furos de 0,5 cm (mesmo diâmetro do fotodiodo e
led IR). A amostra será inserida na câmara em um vasilhame de plástico
transparente com 2 cm de diâmetro e 4 cm de altura.
Figura 5.8 - Esquemático da câmara escura
É importante salientar que as paredes internas da câmara serão
recobertas por papel fosco preto, o que diminui a influência do ambiente nos
resultados das leituras. A amostra a ser analisada estará contida um pequeno
vidro transparente localizado centro exato da face inferior do cubo e pequena
distância dos emissores e receptores.
A figura 5.9 mostra a câmara pronta já com os fotodiodos e LEDs IR
acoplados e ligados ao circuito do projeto.
44
Figura 5.9 - Câmara escura pronta
45
5.3. Programação
Como já foi descrito anteriormente, a maioria dos pinos do PIC 18F4550
apresenta mais de uma função e, portanto, precisam ser configurados para que
cumpram a função determinada pelo projeto. Para tanto será exibido a seguir a
definição das funções dos registradores relativos aos pinos usados no projeto.
5.3.1. Configuração
É necessário definir, logo no início do programa quais bibliotecas serão
usados no programa a ser carregado no PIC, como serão usadas poucas
funções do PIC, apenas poucas bibliotecas serão usadas. As bibliotecas usadas
para a inicialização são:
#include <p18f4550.h>
#include <adc.h>
Para a configuração inicial do programa é preciso escolher as variáveis
de inicialização. Como fazemos uso do conversor analógico-digital, é preciso
definir que as portas usadas posteriormente trabalharão com esse tipo de sinal.
Para esse caso configuraremos ADCON1, que define os tipos dos sinais
recebidos pelas portas AN0 a AN12. Para tanto, usaremos os valores obtidos
pelo datasheet e mostrados na figura 5.10.
Como faremos uso das portas AN0 e AN1 como entradas analógicas para
os fotodiodos precisamos que o ADCON1 seja configurado como 0b00001101,
como mostrado na figura 5.10.
46
Figura 5.10 - Configuração do ADCON1
a) PORTA
Para a configuração desses registradores, é preciso configurar o TRISA,
que define as funções de PORTA, essa configuração deve ser feita de acordo
com a tabela mostrada na figura 5.11.
Para definirmos que as portas RA0 e RA1 trabalharão como entradas
analógicas, ou seja AN0 e AN1, precisamos definir que TRISA0 e TRISA1 como
1. Nessa mesma porta, ainda precisamos configurar o RA6 que será usado para
configuração da leitura USB. Nesse caso usaremos o TRISA6 que será
configurado como OSC2, recebendo o valor 0. Temos, portanto o seguinte valor
para TRISA: 0b00000011.
47
Figura 5.11 - Disposição dos Bits de PORTA e TRISA
b) PORTC
Assim como na configuração do PORTA, precisamos configurar o PORTC
através das definições de TRISC com as funções desejadas para cada um dos
bits de PORTA, para esse registrador usaremos os bits RC1 e RC2 como saídas
digitais e, RC4 e RC5 para a comunicações USB. A tabela para essa porta é
mostrada na figura 5.12.
Como pode ser notado na figura, a configuração para TRISC é
0b00000000, pois estamos tratando de saídas digitais.
Figura 5.12 - Disposição dos Bits de PORTA e TRISA
Dessa forma, para a configuração inicial do PIC, temos a seguinte
configuração:
ADCON1 = 0b00001101;
TRISA = 0b00000011;
TRISC = 0b00000000;
TRISB = 0b00000000;
TRISD = 0b00000000;
48
TRISE = 0b00000000;
Além disso é necessário zerar todos os registradores usados durante o
programa para que não ocorra nenhum tipo de erro por dados residuais. Então
ainda na inicialização temos os seguintes definições.
PORTA = 0b00000000;
PORTB = 0b00000000;
PORTC = 0b00000110;
PORTD = 0b00000000;
PORTE = 0b00000000;
Como pode ser notado, o PORTC tem o RC1 e o RC2 inicializados em 1,
já que, como dito na sessão 4.2.1, para que o LED fique apagado, precisamos
que esse sinal esteja alto.
Durante a comunicação com USB, será usado um software IHM capaz de
configurar durante as leituras os valores das saídas digitais, portanto o que é
mais importante nessa etapa de configuração são as definições das funções das
portas, visto que durante a aquisição dos sinais via USB existirá a possibilidade
de configurarmos os valores das saídas, mas não a função que ela exercerá.
5.3.2. Comunicação USB com PC
Para que possamos adquirir o sinal no fotodiodo, um software para
comunicação USB com PIC18f4550 de código aberto foi usado. Através da
comunicação, o programa é capaz de se comunicação com o PIC e controlar as
portas de saídas digitais e monitorar as entradas (analógicas e digitais), basta
que o PIC esteja programado com suas configurações iniciais. A IHM do
programa é bastante atraente e se mostra como a melhor opção para os testes
a serem feitos no projeto. Já que possibilita o controle tantos das saídas do PIC
quanto a monitoramento das entradas de uma maneira rápida e prática. A
figura 5.13 mostra a IHM do programa, que é programado em C++.
49
O software faz todas as leituras de entradas analógicas, mesmo que os
canais não estejam ligados, no caso do presente projeto, apenas os canais 0 e
1 fazem medidas. O programa apresenta as leituras em 8bits, portanto, os dois
bits menos significativos da leitura são desconsiderados, o que, na prática, não
prejudica muito os resultados.
Além disso, o software considera o tempo para aquisição do sinal, já que
existe a necessidade
Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID
50
O software utiliza a mesma montagem de hardware sugerida na seção
4.2.6, portanto não implicou na modificação do circuito de comunicação USB. E
pôde ser usado com êxito durante os testes.
Abaixo, para ilustrar como a aquisição e envio do dado por USB é feita,
estão transcritas as funções usadas pelo software em questão. Nesse caso,
somente as leituras dos canais 0 e 1 são feitas.
SET_ADC_CHANNEL(0);
DELAY_US(10);
VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);
ENVIA[8]=VALOR_ADC;
SET_ADC_CHANNEL(1);
DELAY_US(10);
VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);
ENVIA[9]=VALOR_ADC;
Uma única adaptação no software precisou ser feita, como o software é
usado para configuração dos pwm’s que estão localizados em RC1 e RC2, e as
saídas digitais configuradas pelo software são as saídas de PORTB, foi
necessário mudar, apenas no código (não na interface), que as portas a serem
usadas como saídas serão RC1 e RC2 e que os pwm’s não serão controlados
pela IHM.
5.4. Projeto completo
Para as medidas de recepção do fotodiodo, a estrutura mostrada na
figura 5.14 foi montada. Para que não houvesse nenhuma interferência no
circuito, a base do circuito não foi colocada em contato com nenhuma
superfície. O PIC foi programado com as definições iniciais do código mostradas
anteriormente com um laço infinito, e o circuito foi conectado ao Computador
pelo cabo USB.
51
Figura 5.14 - Estrutura completa montada
52
6. Resultados
Para verificar se o circuito seria adaptável para um turbidímetro
comercial de baixo custo foram usadas 12 amostras com concentrações
diferentes de café. Para tanto, uma amostra padrão (aqui considerada de
concentração 100% em volume) foi diluída em água para conseguirmos as
outras amostras. As concentrações em volume de café usadas nas amostras são
mostradas na tabela 6.1 e um exemplo de amostra é apresentado na figura 6.1.
Tabela 6.1 - Concentração das amostras
Amostra Concentração em Volume
1 100%
2 90%
3 80%
4 70%
5 60%
6 50%
7 40%
8 30%
9 20%
10 10%
11 5%
12 2,5%
13 Recipiente vazio
Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentrações: 100%, 70%, 30%, 0%)
53
Com o fim de parametrizar os resultados, uma medida do sinal do
fotodiodo para o recipiente vazio foi feita. Os resultados, já convertidos para
números decimais são apresentados na tabela 6.2. Esses valores foram
representados em um gráfico mostrado na figura 6.2.
Além disso, os valores são uma média de 5 medidas por sensor para as
mesmas amostras, o desvio padrão para cada valor é mostrado na tabela e no
gráfico.
Tabela 6.2 - Médias e desvio padrão das leituras dos fotodiodos
Amostra Leitura Desvio Padrão
1 17 7
2 24 7,8
3 28 8
4 35 19
5 42 17,2
6 55 19
7 65 5
8 71 9
9 75 19
10 81 8,7
11 86 24,3
12 85 28
13 111 31
Com o uso das equações 2.1 e 2.2 apresentadas no capítulo 2, o cálculo
de intensidade de radiação transmitida (I) (turbidimetria) foi feito e é
apresentado na tabela 6.3. e no gráfico da figura 6.3.
Tabela 6.3 - Intensidade de radiação transmitida teórico
Amostra Concentração considerada (C) Radiação transmitida (I)
1 0,6 0,308389
2 0,54 0,30855
3 0,48 0,30871
4 0,42 0,308871
5 0,36 0,309032
6 0,3 0,309193
7 0,24 0,309355
54
8 0,18 0,309516
9 0,12 0,309677
10 0,06 0,309839
11 0,03 0,309919
12 0,015 0,30996
13 0 0,31
Para os cálculos de I foram consideradas concentração aproximadas,
visto que as amostras não foram preparadas usando-se kits de calibração
usuais. Além disso, os seguintes valores foram usados nos cálculos:
Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos
55
Figura 6.3 - Intensidade de radiação transmitida teórico
Podemos notar pelos resultados que as leituras apresentam uma séria
instabilidade, visto que os desvios padrões calculados para cada amostra são
altos para essa aplicação. A intensidade de radiação transmitida tem o
comportamento esperado teórico, que acompanha o comportamento da leitura
obtida, já que quanto maior a concentração das amostras, menor será a luz
transmitida.
Além disso, podemos notar que para alguns casos, a diferença entre as
leituras não é apurada o suficiente para levar a conclusões assertivas, dessa
forma, algumas características do projeto devem ser revistas para que o
objetivo final (fazer leituras de turbidez com alta acurácia) seja cumprido. Esses
pontos serão discutidos no capítulo de conclusões.
Nas amostras de pouca concentração, podemos verificar que o desvio
padrão é alto, o que pode ser justificado por variáveis de leitura (como reflexão
do recipiente da amostra, falhas na câmara escura, arredondamento feito pelo
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software, etc) em conjunto com ruídos do circuito que, apesar de serem
evitados em sua maioria pelo projeto, ainda estão presentes neste.
Apesar da falta de acurácia, podemos notar que o circuito foi capaz de
medir a luminosidade modulada pela amostra, como visto na figura 6.1 e que o
uso de fotodiodos em conjunto com amplificadores operacionais é possível para
a aplicação sugerida. Entretanto não foi possível confirmar a melhor
sensibilidade sugerida por García, 2007, visto que outras variáveis podem ter
sido causadoras dos erros de medida.
O comportamento linear das leituras mostra que com os devidos ajustes,
o circuito pode representar uma ótima opção como ferramenta para aferimento
de turbidez de líquidos.
57
7. Conclusões e perspectivas
Como pudemos notar com os resultados, o projeto apresentado
demonstrou que o circuito projetado pode ser usado para aquisição do sinal lido
por fotodiodo acoplado a circuito amplificador, entretanto, para usos comerciais,
que exigem leituras muito mais acuradas, é necessário que modificações no
projeto sejam feitas. A maioria das modificações está ligada à eliminação de
ruído e interferências externas. Para tanto, é necessária a revisão do método de
manufatura do circuito, o uso de impressoras de circuito impresso seriam as
melhores opções já que o método de corrosão usado pode levar a
inconsistências no resultado final.
Para projetos futuros, seria importante que o layout do circuito fosse
refeito de modo e separar o circuito em duas partes independentes com
aterrações distintas, uma parte digital, que incluiria os circuitos de emissão e
comunicação USB, e uma parte analógica contendo os circuitos de aquisição do
sinal pelo fotodiodo. Essa separação eliminaria a interferências dos sinais entre
si, diminuindo o erro nos sinais lidos. Outro fator importante é a substituição
dos componentes usados por modelos SMD, menores e menos sujeitos a ruídos.
O que demandaria uma montagem também maquinizada devido ao tamanho
das pernas dos componentes. Os fatores externos, como o ambiente de leitura
dos fotodiodos poderia ser compensado por calibração do software de acordo
com parâmetros a serem definidos juntamente com o layout do produto final.
A introdução do projeto no mercado exige ainda, a criação de uma IHM
embarcada para leitura dos valores de turbidez, assim como aplicação do
algoritmo para o tratamento do dado lido pelo fotodiodo até chegar ao valor de
turbidez nos moldes definidos por sistemas de medida. Outro ponto importante
e que deve ser levado em consideração antes da adaptação do produto ao
mercado é a busca de anterioridades, evitando a infração de patentes de
terceiros visto que esse campo de estudo é bastante explorado mundialmente.
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8. Bibliografia
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Society.Disponível em: <http://www.lysator.liu.se/~alla/dia/dia.html>.
