PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE HARDWARE E SOFTWARE PARA MONITORAMENTO DA QUALIDADE DA ENERGIA NA REDE ELÉTRICA

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1 UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E NATURAIS CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO (Bacharelado) PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE HARDWARE E SOFTWARE PARA MONITORAMENTO DA QUALIDADE DA ENERGIA NA REDE ELÉTRICA TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO SUBMETIDO À UNIVERSIDADE REGIONAL DE BLUMENAU PARA A OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA COM NOME EQUIVALENTE NO CURSO DE CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO BACHARELADO DANIEL BUSNARDO BLUMENAU, NOVEMBRO/ /2-07

2 PROTÓTIPO DE UM SISTEMA DE HARDWARE E SOFTWARE PARA CONTROLE DA QUALIDADE DA ENERGIA NA REDE ELÉTRICA DANIEL BUSNARDO ESTE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO, FOI JULGADO ADEQUADO PARA OBTENÇÃO DOS CRÉDITOS NA DISCIPLINA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO OBRIGATÓRIA PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE: BACHAREL EM CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO Prof. Antonio Carlos Tavares Orientador na FURB Prof. José Roque Voltolini da Silva Coordenador do TCC BANCA EXAMINADORA Prof. Antonio Carlos Tavares Prof. José Roque Voltolini da Silva Prof. Miguel Wisintainer ii

3 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES... v LISTA DE TABELAS...vi LISTA DE QUADROS...vii RESUMO...viii ABSTRACT...ix 1 INTRODUÇÃO ORIGEM DO TRABALHO ÁREA PROBLEMA JUSTIFICATIVAS OBJETIVOS DO TRABALHO ESTRUTURA DO TRABALHO FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA TENSÃO ALTERNADA FORMAS DE ONDA CA FREQÜÊNCIA QUANTIFICAÇÃO DE TENSÕES CA ÂNGULOS EM TENSÕES CA TRABALHOS CORRELATADOS DESCRIÇÃO DOS TRABALHOS AVALIAÇÃO COMPARATIVA DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO OPERABILIDADE DO SISTEMA HARDWARE UTILIZADO O MICROCONTROLADOR A MEMÓRIA EXTERNA A BATERIA DA MEMÓRIA TESTE DA BATERIA DA MEMÓRIA PREPARAÇÃO PRIMEIRA ETAPA iii

4 SEGUNDA ETAPA CONCLUSÕES DOS TESTES O CONVERSOR ANALÓGICO-DIGITAL (ADC) SIMULAÇÕES DAS LEITURAS DA REDE ELÉTRICA COMUNICAÇÃO SERIAL SOFTWARE DO COLETOR DE DADOS ESPECIFICAÇÃO ANÁLISE DE REQUISITOS DO SISTEMA EM ASSEMBLY NOTA DAS LEITURAS DA REDE ELÉTRICA ORGANIZAÇÃO DA MEMÓRIA EXTERNA MEMÓRIA DE LOG MEMÓRIA DE SEGUNDO CONVERSÃO DO SINAL ANALÓGICO IMPLEMENTAÇÃO SISTEMA DO MICROCOMPUTADOR ESPECIFICAÇÃO ANÁLISE DE REQUISITOS DO SISTEMA NO MICROCOMPUTADOR IMPLEMENTAÇÃO TELAS DO SOFTWARE CONCLUSÕES EXTENSÕES ANEXO 1 FLUXOGRAMAS DO COLETOR DE DADOS...57 ANEXO 2 EXEMPLOS DE LEITURA DA REDE ELÉTRICA...70 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...74 iv

5 LISTA DE ILUSTRAÇÕES 1 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA TENSÃO CA SENOIDAL FORMA DE ONDA QUADRADA FORMA DE ONDA DENTE DE SERRA FORMA DE ONDA SENOIDAL CICLOS DE UMA ONDA SENOIDAL EXEMPLO TENSÃO MÉDIA VALORES DA TENSÃO EM ONDA SENOIDAL EXEMPLO DE UM CICLO DE TENSÃO ALTERNADA DIGRAMA DE BLOCO DO HARDWARE MICROCONTROLADOR 89C LIGAÇÃO DA BATERIA DA MEMÓRIA GRÁFICO DE VARIAÇÃO DE TENSÃO DA BATERIA GRÁFICO COM LEITURA DE 4,32 GRAUS E MÁXIMA RESOLUÇÃO SIMULAÇÃO COM LEITURA DE 4,32 GRAUS EM 8 BITS DE RESOLUÇÃO GRÁFICO COM LEITURA DE 1 GRAU E MÁXIMA RESOLUÇÃO GRÁFICO COM LEITURA DE 1 GRAU EM 8 BITS DE RESOLUÇÃO MAX DIVISÕES DO SOFTWARE DO COLETOR ESTRUTURA LÓGICA DA MEMÓRIA EXTERNA ESTRUTURA LÓGICA DO REGISTRO DE LOG ESTRUTURA DO SISTEMA DO MICROCOMPUTADOR TELA PRINCIPAL TELA DE ERRO DE COMUNICAÇÃO TELA DE ENTRADA DE DADOS TELA DE ANDAMENTO DA RECEPÇÃO OSCILAÇÃO NO BIT MENOS SIGNIFICATIVO DO ADC DISTORÇÃO DA FORMA DE ONDA DURANTE A PARTIDA DE UM MOTOR EXEMPLO DE LEITURA DA REDE ELÉTRICA...71 v

6 29 - DISTORÇÃO DA FORMA DE ONDA GERADA PELA MAGNETIZAÇÃO DE UMA BOBINA DISTORÇÃO NO TOPO DA FORMA DE ONDA...73 vi

7 LISTA DE TABELAS 1 - CONVERSÃO DE VALORES PARA ONDAS SENOIDAIS LEITURAS DA TENSÃO DA BATERIA SIMULAÇÃO DAS TENSÕES A CADA 4,32 GRAUS SIMULAÇÃO DAS TENSÕES A CADA 1 GRAU VALORES SUGERIDOS PARA OUTRAS CONFIGURAÇÕES DE ADC...42 LISTA DE QUADROS 1 - EQUAÇÃO RMS EQUAÇÃO DA TENSÃO EM FUNÇÃO DO ÂNGULO PROGRAMA LE.ASM PROGRAMA GRAVA.ASM EQUAÇÃO DO DESVIO MÉDIO vii

8 RESUMO O trabalho relata o desenvolvimento de um protótipo de um aparelho composto por um hardware microcontrolado e um software de gerenciamento deste hardware. Também é relatado o desenvolvimento de um software em ambiente de programação Delphi para executar em um microcomputador do tipo PC. O aparelho desenvolvido é capaz de coletar informações sobre variações de tensão e freqüência na energia da rede elétrica e armazenar algumas formas de onda da tensão que sofreram maior distorção durante o período de verificação. Após a coleta, estas informações são enviadas para um microcomputador, onde estes dados são tratados para gerar gráficos sobre as variações sofridas pela tensão da energia elétrica. Pode ser realizado assim um controle da qualidade da energia verificada, objetivando-se a tomada de medidas necessárias para a correção de algum problema, caso contate-se. viii

9 ABSTRACT The work here related has developed a prototype of an equipment made by a microcontroled hardware and a software to manage it. This work has also developed a software in Delphi programming environment to work in a PC microcomputer. This equipment can take information about variation in tension and frequency in the eletric energy and keep some wave form of the tension that has been more distorted in the verified period. After the collection, those informations are sent to a microcomputer where these datas are treaty to generate graphs about the tension variations of the electric energy. It gives, so, a control of the verified energy quality, and in the case of a evidencied problem, the necessary actions can be taken to correct it. ix

10 1 1 INTRODUÇÃO 1.1 ORIGEM DO TRABALHO Este trabalho relata o desenvolvimento de um equipamento para controle de qualidade da energia da rede elétrica. Um aparelho composto de hardware e software foi desenvolvido para coletar dados sobre a energia na rede elétrica. Também foi desenvolvido um software em ambiente Delphi para receber os dados coletados através da porta serial de um microcomputador e fazer o tratamento destes dados, e então gerar algumas informações referentes à qualidade da energia na rede elétrica verificada. 1.2 ÁREA Neste trabalho foi realizado um estudo para desenvolver-se uma técnica de medição de energia na rede elétrica. Com o equipamento desenvolvido, pode-se fazer algumas medições diversas da rede elétrica para se determinar a qualidade e se avaliar a necessidade de melhorias na instalações elétricas. Assim, este trabalho se encaixa na área de medição da energia elétrica, ou mais especificamente na utilização de equipamentos computacionais para o monitoramento da qualidade da energia elétrica. Além disto, pode-se vir a utilizar das informações descritas no trabalho para serem feitas alterações no equipamento para que este seja utilizado em outras aplicações além da medição, como por exemplo, acionar algum mecanismo de segurança quando houver oscilações de energia na rede elétrica, ou desenvolver um medidor digital de consumo de energia elétrica. 1.3 PROBLEMA Os problemas com a qualidade da energia elétrica podem causar sérios prejuízos para as indústrias, como danificação dos equipamentos eletrônicos e desperdício de tempo para a retomada da produção. Nos EUA o The Wall Street Journal e a Newsweek Magazine estimam um prejuízo anual na ordem de 20 bilhões de dólares por problemas com a qualidade da energia elétrica. No Brasil estes prejuízos são estimados em US$ 2 bilhões de dólares [ABR99].

11 2 Um estudo foi realizado pelo Instituto de Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo - IEE/USP no ano de 1998 em São Paulo, Rio de Janeiro, Salvador e Belo Horizonte, comparando a tensão da energia na rede elétrica durante o decorrer do dia nestas cidades. Como resultado das medições feitas, foi constatado que existe uma grande variação da tensão, principalmente em São Paulo. Em muitos casos a tensão mínima ou máxima extrapolou os limites de variação constantes determinados pela portaria nº 4/1989, do DNAEE Departamento Nacional de Águas e Energia Elétrica [AFF99]. Como cada vez mais são utilizados equipamentos de precisão, e portanto mais sensíveis, nas indústrias, a necessidade de um controle da qualidade de energia se torna cada vez mais evidente [ABR99]. Este trabalho também pode trazer subsídios para o desenvolvimento de um medidor de consumo de energia eletrônico. Para isto deve ser acrescentado ao sistema a capacidade de medir a corrente da energia elétrica. Estes equipamentos de medição eletrônicos já existem hoje no mercado, mas são pouco utilizados pelas concessionárias para a medição do consumo dos usuários de energia elétrica. Outro estudo feito pelo IEE/USP em 1993 utilizando um medidor de energia eletrônico em comparação com os medidores eletro-mecânicos hoje utilizados, mostrou que os medidores eletro-mecânicos podem chegar a registrar um consumo até 20% inferior em situações onde ocorram oscilações de energia. Neste estudo foi constatado que em apenas uma indústria consumidora, a concessionária estava tendo um prejuízo anual por energia elétrica não faturada de R$ ,26 [FAG99]. Com a privatização das concessionárias de fornecimento de energia este mercado irá tornar-se cada vez mais competitivo, o que significa que cada concessionária terá que se proteger contra perdas na medição de energia para não ficar no prejuízo. Desta forma, nos próximos anos há possibilidade de que os medidores de energia eletrônicos venham a ser utilizados com maior freqüência, fazendo com que se torne interessante os estudos sobre medições eletrônicas de energia.

12 3 1.4 JUSTIFICATIVAS Dois itens fundamentais justificam o desenvolvimento deste trabalho. Estes dois itens são, a necessidade de equipamentos para controle da qualidade da energia, como citado no item anterior, e a experiência adquirida no desenvolvimento deste trabalho na construção de equipamentos, compostos por hardware e software, voltados para automação industrial. A automação industrial compreende uma área de trabalho que vem crescendo intensamente nos últimos anos. Isto acontece pelo fato das grandes vantagens que ela traz para a indústria. Entre elas, segundo [NIS80], pode-se citar: a) maior qualidade: o processo controlado automaticamente é menos sujeito a erros do que o controlado por homens; b) aumento da produção: diminui-se o desperdício e ainda a máquina pode trabalhar mais tempo por dia do que o homem, além dela ser mais rápida; c) aumento de segurança: garantia de maior estabilidade e uniformidade em todos os processos. Por essas e outras vantagens, a automação industrial vem tendo uma grande aceitação. Além do que, estes equipamentos estão tornando-se cada vez mais populares, aparecendo no cotidiano de todas as pessoas, como por exemplo, em semáforos com foto-sensores, em caixas de supermercados e em eletrodomésticos inteligentes. Sendo assim, um profissional da computação que tenha conhecimentos de desenvolvimento do software para estes equipamentos de automação, teria um grande leque de possibilidades de aplicações. Desta forma, este trabalho buscou um estudo sobre uma área de grande interesse para a computação, que é a programação de baixo nível integrada com um hardware que não um microcomputador. 1.5 OBJETIVOS DO TRABALHO Os objetivos principais do trabalho foram: a) desenvolver um equipamento microcontrolado; b) estudar a integração entre hardware e software;

13 4 c) desenvolver uma técnica de medição e controle de qualidade de energia. 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO No capitulo 2 é feito um estudo sobre o funcionamento da energia elétrica utilizada na rede pública e é dada uma visão geral sobre trabalhos já existentes na área de medição de energia. Após isto, no capitulo 3 é inicialmente ilustrado o funcionamento geral do sistema a nível de operador, e então é descrito o hardware utilizado para desenvolver esta aplicação, onde também é descrito a razão que levou a escolha de determinados componentes. Depois é detalhada a especificação e implementação do software utilizado no coletor de dados seguida da especificação e implementação do sistema desenvolvido para o computador em ambiente Delphi. As conclusões tiradas com base no trabalho e as extensões sugerida para dar continuidade a este trabalho são em seguida apresentadas. Por fim seguem os anexos 1 e 2 que trazem os fluxogramas utilizados para especificar o software do coletor de dados e alguns exemplos de verificações da rede elétrica executadas pelo sistema.

14 5 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA Neste item são levantados alguns dados sobre conceitos básicos do funcionamento da energia elétrica. Também são relatados alguns trabalhos existentes que se enquadram na área de monitoramento da qualidade da energia elétrica. 2.1 TENSÃO ALTERNADA A tensão alternada pode ser chamada também de tensão CA e é aquela que inverte o sentido (ou polaridade) de um modo periódico e altera a amplitude contínua e periodicamente [FOW92]. Graficamente representada, as alterações de amplitude na onda da tensão CA mostram as variações do módulo no eixo horizontal. Assim, as tensões acima do eixo horizontal são as que possuem polaridade positiva (+), enquanto as tensões abaixo do eixo horizontal têm polaridade negativa (-). O eixo horizontal demonstra a variação do tempo (fig. 1) [GUS85]. Desta forma, um gráfico que representa uma onda de tensão CA mostra a variação de amplitude da tensão em relação ao tempo. À esta representação gráfica é dado o nome de forma de onda da tensão. FIGURA 1 - REPRESENTAÇÃO GRÁFICA DE UMA TENSÃO CA SENOIDAL Fonte: [GUS85].

15 6 Diferente da tensão CA, a tensão contínua é aquela que sempre mantém a mesma polaridade, ou seja, em um gráfico a tensão contínua sempre está acima do eixo horizontal ou sempre está abaixo deste eixo FORMAS DE ONDA CA As formas de onda mais comuns de se encontrar são: a forma de onda quadrada, a forma de onda dente de serra e a forma de onda senoidal. A forma de onda quadrada (fig. 2) é mais comum de ser encontrada em no-breaks para computadores. A forma de onda dente de serra (fig.3) é utilizada normalmente em receptores de televisão, receptores de radar. A forma de onda utilizada na grande maioria das aplicações é a forma de onda senoidal, mostrada na fig. 4. Esta é a forma de onda utilizada na rede pública de distribuição de energia e na maioria dos motores elétricos encontrados nas indústrias [FOW92]. FIGURA 2 - FORMA DE ONDA QUADRADA Fonte: [FOW92] FIGURA 3 - FORMA DE ONDA DENTE DE SERRA Fonte: [FOW92]

16 7 FIGURA 4 - FORMA DE ONDA SENOIDAL Fonte: [FOW92] FREQÜÊNCIA O ciclo de uma onda alternada representa a parte da forma da onda que passa pelo quadrante negativo e pelo positivo sem se repetir, ou seja, um ciclo é sempre a repetição de outro ciclo (fig. 5). FIGURA 5 - CICLOS DE UMA ONDA SENOIDAL Fonte : [FOW92] Um semi-ciclo é a metade de um ciclo, assim ele pode ser um semi-ciclo positivo ou um semi-ciclo negativo. Durante um ciclo, ocorrem um semi-ciclo positivo e um semi-ciclo negativo. A freqüência representa o número de ciclos que ocorrem durante um segundo e é dada em Hertz. Por exemplo, na rede elétrica pública do Brasil ocorrem 60 ciclos de onda por segundo, significando que a freqüência da energia distribuída pela rede elétrica pública é de 60 Hertz [FOW92].

17 QUANTIFICAÇÃO DE TENSÕES CA Para se quantificar o valor da tensão de uma corrente alternada, utiliza-se normalmente duas medidas, que são: o valor da tensão média e o valor da tensão eficaz, ou valor da tensão RMS. Na grande maioria dos casos, utiliza-se o valor eficaz para se referir à tensão [MAR73]. A tensão de pico de uma onda senoidal é o valor de tensão máximo (positivo ou negativo) alcançado pela forma de onda em um determinado instante. O valor pico-a-pico é a diferença entre o valor máximo positivo e o valor máximo negativo alcançado pela senóide (fig. 7) [GUS85]. O valor médio da tensão é conseguido através do cálculo da área que a forma de onda gera (fig. 6). Em uma onda senoidal simétrica esta área pode ser calculada através da trigonometria. Este cálculo mostra que a tensão média neste caso é aproximadamente a tensão de pico multiplicada por 0,637 (fig. 7). Em ondas não simétricas o cálculo da tensão média pode ser feita através da soma da tensão em vários intervalos durante um semi-ciclo, então este valor das somas deve ser dividido pelo número de intervalos utilizados. Quanto maior o número de intervalos, maior a precisão do cálculo do valor médio da tensão [FOW92]. FIGURA 6 - EXEMPLO TENSÃO MÉDIA Fonte : [FOW92] O valor eficaz da tensão CA é o valor de tensão CC que produziria a mesma quantidade de calor quando esta tensão fosse aplicada sobre um circuito resistivo.

18 9 0,707 (fig. 7). Em uma onda senoidal o valor eficaz da tensão é o valor de pico multiplicado por FIGURA 7 - VALORES DA TENSÃO EM ONDA SENOIDAL Fonte : [FOW92] Para se calcular a tensão eficaz pode-se utilizar de um processo matemático chamado valor médio quadrático (root-mean-square - RMS). Este processo consiste em dividir um semi-ciclo da onda em vários intervalos e elevar ao quadrado o valor de tensão encontrado em cada intervalo. Então, deve-se somar todos estes valores ao quadrado e dividir-se pela quantidade de intervalos utilizados, como mostrado no QUADRO 1. Após isto deve-se calcular a raiz quadrada desta divisão [FOW92].

19 10 QUADRO 1 - EQUAÇÃO RMS T = Σ t 2 n Onde T = Tensão RMS t = Valor da tensão da leitura n = número de leituras Fonte : [FOW92] Algumas das várias conversões possíveis de valores de uma onda senoidal estão representadas na TABELA 1. TABELA 1 - CONVERSÃO DE VALORES PARA ONDAS SENOIDAIS Multiplique o valor de Por Para obter o valor de Pico 2 Pico a Pico Pico a Pico 0,5 Pico Pico 0,637 Médio Médio 1,570 Pico Pico 0,707 RMS (eficaz) RMS (eficaz) 1,414 Pico Médio 1,110 RMS (eficaz) RMS (eficaz) 0,901 Médio Fonte : [GUS85] ÂNGULOS EM TENSÕES CA Para fazer referência a um determinado momento em uma onda senoidal, pode-se fazer uso dos ângulos em graus da onda. Desta forma não importando a freqüência em que a onda está operando, pode-se descobrir a amplitude da tensão [FOW92].

20 11 O valor instantâneo da tensão em qualquer ponto da onda senoidal é dado pela equação mostrada no QUADRO 2. QUADRO 2 - EQUAÇÃO DA TENSÃO EM FUNÇÃO DO ÂNGULO onde ν = Vm senθ ν = valor instantâneo da tensão Vm = valor máximo da tensão (tensão de pico) θ = ângulo da onda Fonte : [GUS85] Um ciclo completo tem 360º (fig. 8), sendo assim cada semi-ciclo termina com 180º. As tensões de pico positiva e negativo ocorrem aos 90º e aos 270º. FIGURA 8 - EXEMPLO DE UM CICLO DE TENSÃO ALTERNADA Fonte [GUS85] Este item além de mostrar os principais conceitos do funcionamento da energia elétrica com tensão CA, também procurou mostrar as maneiras de se quantificar a tensão.

21 12 Assim, foi com base nestas informações que foi desenvolvido o aparelho responsável pela coleta de dados da energia elétrica. 2.2 TRABALHOS CORRELATADOS Neste item são apresentados alguns equipamentos encontrados no mercado, ou que foram utilizados em experimentos, que se encaixam na área de monitoramento da qualidade de energia. Após a descrição do funcionamento destes aparelhos é feita um comparação entre os equipamentos já existentes e o equipamento que foi desenvolvido no trabalho aqui relatado DESCRIÇÃO DOS TRABALHOS Em 1993 foi desenvolvido um hardware pelo IEE/USP chamado RCC 2.0 para fazer medições do gasto de energia por um consumidor [FAG99]. Este aparelho tinha apenas a função de medir a energia gasta e não de monitorar a qualidade da energia elétrica. A USP também desenvolveu em 1998 um equipamento chamado SAGA 1000 para fazer medições do nível de tensão da energia da rede elétrica. Este equipamento fazia apenas uma medição periódica do nível de tensão e registrava esta informação [AFF99]. No exemplo encontrado em que este aparelho foi utilizado, o equipamento fazia uma leitura a cada 5 minutos. A empresa CCK Automação Ltda lançou este ano um medidor eletrônico de consumo de energia elétrica (CCK 4500) capaz de armazenar informações sobre a qualidade de energia. Este aparelho registra a tensão máxima e mínima atingida e também armazena a forma da onda da energia elétrica durante um determinado tempo, fazendo leituras da tensão com intervalos constantes AVALIAÇÃO COMPARATIVA O equipamento desenvolvido e aqui relatado é capaz de avaliar a distorção sofrida pela forma de onda, armazenando assim, apenas as informações mais relevantes, enquanto que o CCK 4500 armazena a forma de onda durante intervalos de tempo pré-determinados, sem levar em consideração se a onda esta distorcida ou não. Além disto o equipamento

22 13 desenvolvido também engloba a função de registrar o nível da tensão da energia elétrica quando há alteração neste nível de tensão. O CCK 4500 não faz esta função e o SAGA 1000 faz, mas também com intervalos de tempo pré-determinados não importando se houve ou não variação da tensão. Desta forma, foi desenvolvido um equipamento que executa as funções de medição da qualidade de energia, englobando as funções feitas pelos aparelhos CCK 4500 e SAGA 1000, com a vantagem de analisar as informações antes de armazená-las, o que faz com que o aparelho utilize a memória apenas para o necessário, aumentando a capacidade de armazenamento.

23 14 3 DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 3.1 OPERABILIDADE DO SISTEMA O sistema desenvolvido é composto por um aparelho chamado de coletor de dados e por um software para ser executado em um microcomputador. O coletor de dados é um hardware desenvolvido para fazer a verificação da rede elétrica. Após este equipamento ter ficado durante algum período verificando as oscilações na rede elétrica, ele é ligado através da porta serial a um computador para onde serão transmitidas as informações sobre a rede elétrica verificada. Para se iniciar uma verificação da rede elétrica basta que se conecte o aparelho coletor de dados em uma tomada na rede elétrica. Neste momento o coletor de dados irá acender o led verde indicando que está tudo pronto para iniciar a verificação da rede elétrica. Quando for apertado o botão Início/Fim o aparelho irá acender o led vermelho e irá começar a fazer a verificação da energia elétrica. Basta então que deixe-se o aparelho coletar informações durante o período desejado, e então deve-se apertar o botão Início/Fim que o aparelho para com a verificação da energia. Após isto, leva-se o coletor de dados até o microcomputador e ligá-o através de uma cabo na porta serial. Após, liga-se o coletor de dado em uma tomada e aciona-se o botão Transferir Dados no sistema no microcomputador. Após, o sistema irá checar se o coletor de dados está ligado corretamente. Se algum erro ocorrer, será indicado na tela que o coletor não está presente. Caso tudo esteja certo o sistema irá solicitar a data e a hora em que foi iniciada a coleta de dados da rede elétrica. Basta então informar estes dados para que a transferência dos dados coletados inicie. Após o final da transmissão dos dados será mostrado na tela algumas informações sobre as leituras realizadas da rede elétrica, como exemplo: tensão máxima alcançada, tensão mínima alcançada e tensão média. Acionando o botão Gerar gráficos das oscilações apresentará na tela um gráfico que demostra a variação da tensão média e da freqüência em relação ao tempo de verificação.

24 15 Acionando-se o botão Gerar gráficos dos segundos, um gráfico será apresentado, o qual demonstra a forma de onda da energia durante um segundo. Uma barra de rolagem na parte superior da tela serve para ser realizada a seleção para que seja apresentado o gráfico referente a outros segundos. Esta seleção permite que seja escolhido o gráfico de um dos 50 segundos que sofreram maior distorção na forma de onda da energia. 3.2 HARDWARE UTILIZADO O hardware utilizado no coletor de dados basicamente é composto por: a) um microcontrolador para gerênciar o sistema; b) uma memória externa ao microcontrolador para armazenar as informações coletadas da energia elétrica; c) um conversor analógico-digital - ADC para fazer as leituras de tensão da energia elétrica; d) um sistema para compatibilizar a comunicação serial do microcontrolador com o computador. A FIGURA 9 ilustra um diagrama de bloco de como foi realizada a ligação destes componentes do hardware.

25 16 FIGURA 9 - DIGRAMA DE BLOCO DO HARDWARE Conector serial externo Conversor Serial Microcontrolador Amplificador Operacional ADC Latch Divisor de tensão Divisor de tensão Sistema de bateria de backup da RAM Memória RAM Regulador de tensão de precisão Regulador + 5 V VCC Ponte Retificadora Regulador + 12 V Regulador - 12 V Trafo Conector externo tomada Para o regulador de tensão de +12V foi utilizado o LM7812 e para o regulador de 12V foi utilizado o LM7912. Para regular a tensão em +5V e alimentar o VCC dos integrados foi utilizado o LM7805. Como regulador de tensão de precisão foi utilizado o LM336 da National Semiconductors. Este integrado gera uma tensão de saída de 5.0V ajustável por um trimpot, e tem variação de tensão mínima em função da variação de temperatura. Um dos dois divisores de tensões colocados na entrada do amplificador operacional tem a função de fornecer uma tensão de referência de 2,5 V. O outro tem a função de reduzir a

26 17 tensão CA vinda do trafo que será utilizada como entrada analógica do ADC. Estes divisores de tensão foram montados com trimpot de 10 KΩ. Como amplificador de tensão foi utilizado o LM324 que também é fabricado pela National Semiconductors. Este integrado é alimentado com tensão positiva e negativa de 12 V. A sua função é de elevar a tensão CA e fazer que o valor de tensão de 0 Volts de saída do trafo seja amplificado para 2,5V. Desta forma, a intenção é que o meio da onda CA seja o 2,5V e que esta onda varie nos limites máximos de 0V a 5V, que são os valores de tensão que o ADC tem capacidade de medir. Assim, o sistema todo ficou com 3 pontos de ajustes. Um dos pontos gera a tensão de referência de +5V para o ADC. O outro ponto de ajuste pega esta tensão de +5V e divide ao meio para 2,5V, para ser utilizada como referência pelo amplificador operacional. O terceiro ajuste tem a função de dimensionar a tensão CA para que fique com os valores desejados para a conversão do sinal analógico para digital. Este terceiro ponto deve ser ajustado para que uma tensão de +512V na rede elétrica gere uma tensão de +2,5V após o ajuste e uma tensão de 512V gere 2,5V. Com estes valores de tensões o amplificador operacional irá gerar na sua saída uma tensão de +5V para +512V na rede elétrica e uma saída de 0V para 512V na rede elétrica. A razão para que sejam utilizados estes valores são explicadas no item CONVERSÃO DO SINAL ANALÓGICO O MICROCONTROLADOR O microcontrolador escolhido para ser utilizado no coletor de dados foi o AT89C51-24PC fabricado pela Atmel (fig. 10). As principais razões que levaram à escolha deste microcontrolador foram: a) o 8951 pertence a família do 8051 da Intel, que é um dos microcontroladores mais comuns de se encontrar no mercado e conta com uma grande bibliografia sobre seu funcionamento e sua estrutura, além do seu custo ser reduzido; b) por ter uma grande quantidade de pinos de entradas e saídas e já possuir um sistema de multiplexação do barramento de endereços e do barramento de dados o que facilitou a ligação da memória externa e do ADC;

27 18 c) conta com um canal serial que pode ser facilmente adaptado para funcionar com o padrão RS-232 utilizado pelo microcomputador; d) o software fica armazenado em uma memória FLASH interna no chip, o que dispensa o uso de uma EPROM externa para este software,. Assim esta memória de programa pode ser rapidamente apagada e regravada a nova versão do software, o que facilita o desenvolvimento e os testes do software; e) pode trabalhar com até 24 Mhz, fato importante visto que este projeto requer uma grande velocidade do microcontrolador. As principais características do microcontrolador AT89C51 são: a) tem baixo consumo de energia; b) possui 4 Kb de memória de programa de Memória Flash Somente de Leitura Programável e Apagável Flash Programmable and Eresable Read Only Memory (PEROM); c) trabalha com até 24 Mhz; d) tem 3 níveis de segurança para a memória de programa; e) 128 bytes de RAM interna para uso geral; f) 32 pinos de entrada e saída, sendo 16 utilizados como barramento de dados e endereços; g) 2 contadores de 16 bits; h) 6 fontes de interrupções 2 interrupções dos temporizadores, 2 interrupções externas e 2 interrupções da comunicação serial (transmissão e recepção). i) 1 canal serial full-duplex.

28 19 FIGURA 10 - MICROCONTROLADOR 89C51 Fonte : [ATM97] Os pinos de entrada e saída do microcontrolador foram ligados da seguinte forma: a) P0.0 (AD0)... P0.7 (AD7): barramento de dados e endereço baixo, ligado com a RAM e com o ADC; b) P2.0 (A16)... P2.2 (A18): endereçamento extra, ligado com a RAM; c) P2.3.. P2.7: não conectado; d) P2.6 (A14): ligado ao chip select do ADC; e) P2.7 (A15): ligado ao chip select da RAM; f) P1.0 (A8)... P1.7 (A15): ligado ao endereçamento alto da RAM; g) P3.0 (RXD) e P3.1 (TXD): foram ligados ao circuito MAX232 para ser feita a comunicação serial com o microcontrolador; h) P3.2 (INT0): botão Inicia/Para; i) P3.3 (INT1): não conectado; j) P3.4 (T0) e P3.5 (T1): leds; k) P3.6 (WR): ligado ao WR da RAM e do ADC; l) P3.7 (RD): ligado ao RD da RAM e do ADC. Os pinos P2.6 e P2.7 foram ligados aos pinos chip select (CS) da RAM e do ADC respectivamente, para que possa ser feita a seleção do chip em um determinado momento. Assim quando se deseja fazer uma leitura ou escrita na RAM, deve-se endereçar o pino P2.7 e

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