UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA. Projeto de Instrumentação:

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA Projeto de Instrumentação: Módulo de Sensores para Automação Residencial Componente: Instrumentação Eletrônica, Turma: 01. Docente: Prof. Dout. Luciano Fontes Discente: Caio Cezar de Souza Guimaraes Mat.: Discente: Evandro Abreu de Oliveira Mat.: Natal Junho/2011

2 Sumário Objetivo... 3 Escolha da Plataforma... 3 Definição dos Sensores... 4 Termistor... 4 Sensor de Luminosidade... 5 Sensor de Presença Alarme... 6 Interface Homem-Máquina... 7 Programação... 8 Diagrama de Blocos do Circuito... 9 Montagem... 9 Conclusão Referências

3 Objetivo A intenção deste projeto foi desenvolver um modulo de sensores de baixo custo e fácil instalação para automatização de residências com vista à economia, o conforto e o auxílio à segurança. A metodologia foi dividida nos seguintes passos: definição da plataforma de desenvolvimento, escolha dos sensores, dimensionamento dos componentes, programação, integração e testes. Escolha da Plataforma A partir dos critérios de disponibilidade no mercado, custo-benefício, facilidade de programação e facilidade de integração com outros módulos o grupo chegou à conclusão que a melhor opção de implementação seria a utilização de um microcontrolador Arduino. O Arduino é um computador físico baseado numa simples plataforma de hardware livre, projetada com um microcontrolador de placa única, com suporte de entrada/saída embutido e uma linguagem de programação padrão, na qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C/C++.O objetivo do projeto é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de se usar. Figura 1: Arduino (Microcontrolador Fabricado pela Atmel) Sua placa consiste em um microcontrolador Atmel AVR de 8 bits, com componentes complementares para facilitar a programação e incorporação para outros 3

4 circuitos. A grande maioria de placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 MHz (podendo haver variantes com um ressonador cerâmico). Além de ser microcontrolador, o componente também é pré-programado com um bootloader que simplifica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido. Definição dos Sensores Devido ao tempo limitado, foram escolhidos três tipos de sensores para serem implementados: sensor de temperatura, sensor de presença/alarme e um sensor de luminosidade. Termistor Termístor (ou termistor) são semicondutores sensíveis à temperatura. Existem basicamente dois tipos de termístores: NTC (do inglês Negative Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é negativo: a resistência diminui com o aumento da temperatura. PTC (do inglês Positive Temperature Coefficient) - termístores cujo coeficiente de variação de resistência com a temperatura é positivo: a resistência aumenta com o aumento da temperatura. Conforme a curva característica do termístor, o seu valor de resistência pode diminuir ou aumentar em maior ou menor grau em uma determinada faixa de temperatura. Assim alguns podem servir de proteção contra sobreaquecimento, limitando a corrente eléctrica quando determinada temperatura é ultrapassada. Outra aplicação corrente, no caso a nível industrial, é a medição de temperatura (em motores por exemplo), pois podemos com o termístor obter uma variação de uma grandeza eléctrica em função da temperatura a que este se encontra. 4

5 Figura 2:Termistor Típico Para usá-lo como sensor foi necessário liga-lo a entrada do conversor analógico. Foi realizada uma Linearização da curva de operação com dois pontos para a faixa de temperatura de operação (calculo no código). Foi programada uma função para exibir a leitura no display. Sensor de Luminosidade LDR (do inglês Light Dependent Resistor ou em português Resistor Dependente de Luz) é um tipo de resistor cuja resistência varia conforme a intensidade de radiação eletromagnética do espectro visível que incide sobre ele. Um LDR é um transdutor de entrada (sensor) que converte a luz em valores de resistência. É feito de sulfeto de cádmio (CdS) ou seleneto de cádmio (CdSe). Sua resistência diminui quando a luz é muito alta, e quando a luz é baixa, a resistência no LDR aumenta. Um multímetro pode ser usado para encontrar a resistência na escuridão ou na presença de luz intensa. Estes são os resultados típicos para um LDR padrão: Escuridão : resistência máxima, geralmente acima de 1M ohms. Luz muito brilhante : resistência mínima, aproximadamente 100 ohms. Por muitos anos o LDR mais comum foi o ORP12, mas nos últimos anos, o modelo NORP12 tem se tornado muito comum. O NORP12 possui um diâmetro de aproximadamente 13mm. LDRs menores estão também disponíveis no mercado, existem tipos onde o diâmetro é de aproximadamente 5mm. Um LDR é sensível das faixas: Infravermelho(IR), Luz visível e Ultravioleta (UV) Um LDR pode ser soldado de maneira simples, nenhuma precaução especial é requerida ao fazê-lo. Apenas deve-se ficar atento com aquecimento excessivo, como com qualquer outro componente. 5

6 O LDR é muito frequentemente utilizado nas chamadas fotocélulas que controlam o acendimento de poste de iluminação e luzes em residências. Também é utilizado em sensores foto-elétricos assim como foto-diodos. A integração com o arduino foi feita através de um pino definido como entrada analogica. Os valores minimos e máximos de resistencia pra um ambiente escuro e um ambiente claro foram realizadas de modo a representar 0% como um ambiente totalmente escuro e 100% a luminosidade de um ambiente iluminado ao máximo como ao ar livre. Sensor de Presença Alarme Laser (cuja sigla em inglês significa Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou seja, Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação) é um dispositivo que produz radiação eletromagnética com características muito especiais: ela é monocromática (possui comprimento de onda muito bem definido), coerente (todas as ondas dos fótons que compõe o feixe estão em fase) e colimada (propaga-se como um feixe de ondas praticamente paralelas). Usando em conjunto, um LDR e um Laser, foi criado um sensor de presença. A superfície de um LDR é permanentemente atingida pelo feixe luminoso e quando este é interrompido o sinal resultante pode ser usado para acionar lâmpadas ou alarmes dependendo da aplicação. Quando o sinal na saída do LDR cai abaixo de certo valor o controlador detecta o evento. Do mesmo modo que os demais sensores a saída do LDR, que é atingido pelo laser, é ligada a um pino definido como entrada analógica no programa. Um loop programado mantem o Arduino lendo aos valores do pino e comparando com um limiar, se o sinal cai abaixo do limiar o buzzer é acionado. 6

7 Interface Homem-Máquina Um display de cristal líquido, acrônimo de LCD (em inglês liquid crystal display), é um painel fino usado para exibir informações por via eletrônica, como texto, imagens e vídeos. Do mesmo modo que os demais sensores a saída do LDR, que é atingido pelo laser, é ligada a um pino definido como entrada analógica no programa. O LCD possui pinos de controle e pinos de dados, existem bibliotecas com funções para manipulação de LCDs. Figura 3: Display LCD O display tem uma forma padrão de se conectar ao Arduino de modo a permitir o ajuste do contraste: Figura 4: Ligação do LCD ao Arduino 7

8 Programação O Arduino IDE é uma aplicação multiplataforma escrita em Java na qual é derivada dos projetos Processing e Wiring. Inclui um editor de código com recursos de realce de sintaxe, parênteses correspondentes e identação automática, sendo capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique. Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando. A seguir o código com o qual foi programado o Arduino: #include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);//seta LCD const int LDR = 0; int ValorLido = 0; const int NTC = 1; int ValorLido2 = 0; const int LDR2 = 2; int ValorLido3 = 0; const int ledpin = 10;//define pino de saida analogica void setup() { pinmode(ledpin, OUTPUT); lcd.begin(16, 2); lcd.print("temperatura");//adiciona label para indicar temperatura lcd.setcursor(0, 1); lcd.print("luminosidade");//adiciona label para indicar a luminosidade } void loop() { ValorLido = analogread(ldr);//ler valor do NTR ValorLido2 = analogread(ntc);//ler valor do NTC ValorLido3 = analogread(ldr2);//ler valor do LDR do sensor de presença ValorLido = ValorLido/10; ValorLido2 = (ValorLido2-246)/11;//calcula temperatura com base na leitura do AD ValorLido3 = ValorLido3/10; lcd.setcursor(13, 1);//seta curso no LCD lcd.print(valorlido); lcd.setcursor(13, 0); lcd.print(valorlido2);//toma o valor lido if (ValorLido3 < 80){ digitalwrite(ledpin, HIGH); } else{ digitalwrite(ledpin, LOW); } } 8

9 Diagrama de Blocos do Circuito O diagrama de blocos do circuito pode ser visto na figura abaixo, nota-se que o lazer não se liga ao Arduino porque permanece sempre ligado. Figura 5: Diagrama de Blocos Montagem A montagem foi realizada no laboratório de eletrotécnica da Escola de Ciência e Tecnologia visto que na época o laboratório de eletrônica do DEE estava inacessível devido à chegada dos novos equipamentos. Figura 6: Detalhe do Arduino com as conexões que vão pra a protoboard. 9

10 A seguir uma imagem da protoboard com a montagem: Figura 7: Foto dos componentes sensores na protoboard. Figura 8: Detalhe do LCD funcionado. Conclusão O modulo funcionou perfeitamente, dentro do que era esperado. Considera-se que deve haver uma maior atenção ao sensor de temperatura que deve ser substituído por um sensor mais linear como o LM35zd já que a linearização realizada não garante um bom range de medições. Em trabalhos futuros, recomenda-se a ampliação do número de sensores para o modulo de modo a incluir mais funcionalidades. Recomenda-se substituir o par LDR/Laser por um par de transmissor e receptor de infra-vermelho já que isso garantiria 10

11 uma funcionalidade como alarme mais segura, visto que não se poderia ver o raio infravermelho ao contrário do laser que é bem visível. Referências [1] [2] _LCD.pdf [3] Termistor.html [4] [5] 11