ALUNOS: CAMILA FERREIRA DE LIMA RENAN KRUCHELSKI MACHADO THIAGO AVELINO DA SILVA VINICIUS DELATORRE

Transcrição

1 UTFPR UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL PARANÁ DAELN DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA DAINF DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE INFORMÁTICA ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO ALUNOS: CAMILA FERREIRA DE LIMA RENAN KRUCHELSKI MACHADO THIAGO AVELINO DA SILVA VINICIUS DELATORRE SISTEMA DE SENSOR DE TEMPERATURA PARA ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECEDOR DE AQUÁRIO CURITIBA 2009

2 CAMILA FERREIRA DE LIMA RENAN KRUCHELSKI MACHADO THIAGO AVELINO DA SILVA VINICIUS DELATORRE SISTEMA DE SENSOR DE TEMPERATURA PARA ACIONAMENTO AUTOMÁTICO DE AQUECEDOR DE AQUÁRIO Trabalho Acadêmico apresentado à disciplina de Oficina de Integração, como requisito parcial para obtenção de nota no Curso de Engenharia de Computação da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, sob orientação do Professor Douglas Roberto Jakubiak. 1

3 Sumário Introdução Revisão do Estado da Arte História do Aquário Funcionamento do Aquário Peixe Betta Aquecedor O Projeto O Sensor Conversor Analógico Digital Decodificador Binário BCD Decodificador BCD/7 segmentos Display de 7 segmentos Mudança de Projeto Circuito Integrado ICL Circuito do Projeto de Monitoramento da Temperatura Sistema de Acionamento Automático do Aquecedor Resultados Práticos Referências Bibliográficas

4 Introdução O presente trabalho teve como motivação o aprofundamento nos estudos das disciplinas de eletrônica digital, dispositivos eletrônicos e em especial a utilização de sensores. O projeto tem como objetivo geral de monitorar e controlar a temperatura da água do aquário, assim, como objetivo específico introduzir o conhecimento de componentes eletrônicos e seu funcionamento. No projeto foi utilizado um sensor, circuito integrado LM35, específico para a faixa de temperatura requerida pelo aquário, junto a ele foi utilizado um sistema de monitoramento de temperatura, que processa as informações, e logo em seguida são transmitidas ao usuário através de um painel com displays de 7 segmentos. Completando o sistema, a parte de acionamento automático do aquecedor, para a regulação da temperatura da água do aquário. Desta forma conseguiremos que sem a intervenção humana se mantenha a temperatura ideal para o peixe especificado, garantido pelo sistema mencionado e também de forma simples um termômetro digital. 3

5 Capítulo 1 Revisão do estado da arte 1.1 História do Aquário A palavra aquário resulta da junção do termo latino aqua, que significa água, com o sufixo -rium, que significa "lugar" ou "edifício".[ A cultivação em aquário é uma prática antiquíssima. Os Sumérios, povos antigos da mesopotâmia tem mantido peixes nas lagoas desde pelo menos há anos. Outras culturas humanas adiantadas que faziam a cultivação em aquário incluem os egípcios, os asiáticos o chinês, o japonês e os romanos. A criação na época se destinava tanto a comércio como para enfeite quanto para a alimentação humana, primeiramente os peixes ficavam em lagoas, depois eram alocados em recipientes de barro. 1.2 Funcionamento de um aquário O aquário é um lugar que recebe plantas e animais muito sensíveis às alterações que ocorrem ao ambiente. Alguns fatores que influenciam o habitat do aquário e devem ter cuidados redobrados são: Iluminação, peixes são animais que não possuem pálpebras, portanto não sabem diferenciar dia da noite. Uma exposição de luz permanente os levará ao stress e possivelmente a morte. Porém outro ponto a ser levado em conta são as algas que habitam o aquário, elas necessitam de luz para fazer a fotossíntese, portanto deve se existir um equilíbrio na quantidade diária de luz para que o ambiente esteja em condições propícias para a vida. A água é outro fator de suma importância, para isso necessita-se um controle de ph. Para aquários de água doce ele fica por volta de 7,0. Um equipamento indispensável também é a bomba submersa que faz a aguá circular e a mantêm com boa oxigenação. A temperatura da água para alguns peixes é extremamente fatal, os peixes por serem animais pecilotérmicos e sofrerem alterações no metabolismo graças à temperatura externa, precisam manter uma regularidade na temperatura do ambiente em que vivem. A temperatura para se manter um equilíbrio variaentre 24º e 29º, dependendo 4

6 das espécies de peixes utilizada. A filtragem da água ajuda a manter a longevidade do aquário e dos peixes, o uso de filtros por isso auxilia bastante e dispensa as trocas diárias de água para limpeza do mesmo. 1.3 Peixe Betta O peixe Betta é originário da Tailândia e tem esse nome devido a uma tribo indígena.também conhecido como peixe de briga, ele não pode ser colocado em mesmo aquário com outros peixes Betta. O Betta, diferente de outros peixes que respiram submersos através das brânquias, consegue retirar oxigênio da atmosfera graças à presença de um órgão auxiliar chamado labirinto.a alimentação dos Bettas deve ser através de ração específica encontrada em lojas especializadas e oferecida duas a três vezes ao dia em uma quantidade que o animal consiga comer em minutos. A temperatura da água deve ser de 27ºC e o ph 6.9. É aconselhada a colocação de algumas plantas, como a "Sagittaria microfolia" e a "Ceratophillum demersum".[ Escolheremos o peixe Betta para fazer parte do nosso sistema de aquário automatizado, por ser um peixe que vive em águas estagnadas e maloxigenadas, como a dos arrozais, por exemplo. A respiração nessas águas só é possível devido a um órgão auxiliar que os Bettas possuem, o labirinto, que os permite retirar seu oxigênio da atmosfera. Por esse motivo, um betário não precisa de oxigenação., diferente de peixes que com qualquer alteração no ambiente são passiveis de morte. Assim como o foco do nosso trabalho é relacionado a temperatura não precisaremos nos preocupar com a oxigenação do aquário. 1.4 Aquecedor O aquecedor de aquário tem a função de manter uma temperatura ideal para que os habitantes consigam viver dentro do aquário. O recomendado para um aquário é que a potência do aquecedor seja de 1 Watt por 1 Litro de água. O nosso aquecedor é de 1 Watt, para satisfazer a proporção, a qual estamos 5

7 atendendo de 1 para 1, e será regulado para ligar abaixo dos 24ºC e desligar acima dos 29ºC. Capítulo 2 O Projeto A proposta do nosso projeto é tornar automático o acionamento do aquecedor do aquário, para que se mantenha a temperatura ideal para a sobrevivência do peixe do gênero Betta, e monitorar a temperatura em um display digital. De uma forma mais simplificada o projeto se caracteriza por um sensor de temperatura da água e um sistema de acionamento automático do aquecedor. A seguir o diagrama de bloco do circuito: SENSOR LM35 Conversor Analógico Digital CI ADC0804 Decodificador Binário BCD Decodificador BCD display 7 segmentos 7447 Decodificador BCD display 7 segmentos 7447 Circuito do Aquecedor Aquecedor 2.1 O Sensor Circuito integrado usado para medição de temperatura LM35: A série LM35 é um circuito integrado de sensor de temperatura preciso, pois sua tensão de saída é linearmente proporcional a escala Celsius de temperatura. O LM35 possui uma vantagem sobre os demais sensores de 6

8 temperatura calibrados em escala Kelvin, porque o usuário não precisa subtrair um valor da tensão de saída para obter uma calibração conveniente na escala de graus. Outra vantagem é de não haver necessidade de uma calibração externa. O LM35 apresenta-se em vários tipos de encapsulamentos, sendo o mais comum o TO-92 (figura 3) que mais se parece com um transistor, e oferece ótima relação custo benefício, por ser o mais barato dos modelos e propiciar a mesma precisão dos demais. [ Alguns recursos do LM35: Calibrado na escala Celsius de temperatura; Fator de escala linear de aproximadamente 10,0 mv / C; Trabalha na escala entre 55 a +150 C; Opera com baixas tensões. A acuidade é de ± 0,25ºC à temperatura ambiente Diagrama de conexões do LM35: Figura 2 - Circuito simples de medição. 7

9 Figura 3 - Vista de cima LM35(TO-92). 2.2 Conversor Analógico-Digital CI ADC0804 Para converter o sinal proveniente do LM35 para digital utilizaríamos no circuito um conversor analógico/digital ADC0804, que é um dos modelos de conversores existentes. Nessa conversão existe uma taxa de amostragem, a qual representa o número de pontos capturados do sinal analógico por unidade de tempo. Quanto mais pontos guardados, maior será a qualidade do sinal quando for novamente transformado para analógico. Contudo, maior a quantidade de memória necessária. Para resolver esse problema pode-se aplicar alguns métodos, como a equação de Nyquist a taxa de amostragem deve ser duas vezes ao maior que a frequência máxima a ser guardada. Normalmente conversores A/D podem ser comprados encapsulados, mas o entendimento detalhado de seus comportamentos pode ser bastante útil ao definir o melhor conversor a ser utilizado em cada situação. Existem diversos tipos e maneiras de construir conversores A/D: projeto paralelo (o flash), projeto vinculado a um integrador (por inclinação única e por dupla inclinação), projeto sigma-delta (conversor A/D de 1 bit, oversampling) e projeto vinculado a conversor digital/analógico (contador de rampa, aproximação sucessiva). O ADC0804 se trata de um ADC de aproximações sucessivas e é um dos modelos de conversor mais empregados. Uma qualidade importante devido a qual tínhamos optado por sua utilização é o baixo tempo de conversão se comparado a alguns outros conversores A/D. Além disso, os ADCs que se 8

10 englobam nessa categoria têm valor constante desse tempo, independente do sinal de entrada. Figura 4 Para que servem sinais start e EOC O esquema da figura 4 representa o funcionamento de um conversor A/D de aproximações sucessivas. VA é a entrada analógica e as saídas digitais estão entre o registrador de controle e o conversor D/A. A lógica de controle altera bit a bit das informações guardadas no registrador até que o dado do registrador torne-se o equivalente digital da entrada analógica VA. Nesse momento a saída do amplificador operacional comparador vai para nível baixo (até então encontrava-se em nível alto) e o número digital do registrador é o equivalente digital de VAX, que por sua vez é uma aproximação de VA. A temporização do processo é gerada por um sinal de clock de entrada. A lógica de controle está continuamente alterando o número binário a ser armazenado no registrador de controle. Utilizando o conversor com 8 bits, e supondo uma entrada analógica de 142,5V (normalmente a faixa de operação é menor, 9

11 utilizamos esse valor apenas para ilustrar o procedimento), o processo começa com a lógica de controle iniciando com 0 todos os bits do registrador Q 7 =Q 6 =...=Q 0, expressando isso como [Q]= Logo a saída inicial VAX é igual a zero. Sendo VAX < VA, a saída do comparador está no nível alto. Na próxima etapa, a lófica de controle altera o MSB do registrador para 1 e temos [Q] = e VAX = 128V. Como ainda temos VAX < VA a saída do comparador permanece em nível alto. Esse nível alto é entendido pela lógica de controle que alterando-se o MSB não faz VAX ultrapassar VA, assim MSB é mantido como 1. No próximo passo, a lógica de controle atua sobre o próximo dígito retornando [Q]= Assim VAX = 192V. Como VAX > VA a saída do comparador resultará em nível baixo. A lógica de controle compreende com esse nível baixo que VAX é muito grande e portanto retorna esse último dígito Q6 para 0. Na próxima etapa, é alterado então o próximo dígito, resultando em [Q]= e V AX = 160V. O nível baixo indica que o bit deve ser setado(setar LEVAR AO NIVEL 1,RESETAR LEVAR AO NIVEL 0) novamente como 0. Vamos para o próximo bit, com [Q]= e VAX = 144V. Assim Q 4 volta a ser 0 também. Depois, [Q]= e VAX = 136V e, então, a lógica de controle define Q 3 como 1. Continuando o processo até o LSB, chegamos em [Q]= e V AX = 142V, que é ligeiramente menor que VA. No entanto representa uma ótima aproximação. No final do processo, todos os bits do registrador foram procesados e a conversão termina. A lógica de controle então ativa a sua saída EOC para indicar que o equivalente digital de VA está armazenado no registrador de saída. A importância de utilizarmos um conversor de 8 bits nesse caso está ligada aos dois displays digitais pelos quais mostraremos a temperatura. Cada display representará um dígito para representar a temperatura em notação decimal variando de 00 até 99 ºC. Cada display apresenta 7 segmentos, logo 10

12 para cada display devemos ter pelo menos 4 bits, e para os dois, pelo menos 8 bits. Em seguida segue um esquemático do processo pelo qual é feita a conversão no ADC0804. tempo. Figura 5 Processo em que a tensão Vax é convertida no decorrer do 11

13 Figura 6 Sequência das etapas da conversão 2.3 Decodificador Binário - BCD Após a aquisição do sinal analógico e consequentemente transformado em um número binário, precisamos tratar esse binário para que seja codificado de forma para representá-lo no display de 7 segmentos. A codificação bcd é uma forma de representação de um número em um binário. Ele representa cada dígito de um numero no sistema decimal por um binário. Por exemplo: O número binário quem em decimal é 35, codificado em bcd temos

14 A codificação será útil, pois usaremos dois displays de 7 segmentos para representar um valor de 00 a 99, então precisamos de cada digito separadamente. O CI que será utilizado será o DM74185, através de uma lógica combinacional que é acoplado no CI, ele transforma uma palavra binária em codificação BCD. funcionamento: O componente segue o seguinte esquemático de ligação e Figura 7 Circuito Integrado DM74185 O CI utilizado tem 5 bits de entrada(a, B, C, D, e E na fig.07) no qual pode se representar os números decimais de 0 a 31 então teremos que fazer a combinação de 3 deles, para que obtenhamos a faixa de valores que desejamos visualizar: 13

15 Figura 8 Combinação de 3 Circuitos Integrados DM74185 Com isso poderemos entrar com um binário de 8 bits e obter a codificação em BCD desejada. 2.4 Decodificador BCD- 7 Segmentos Após a conversão para BCD precisamos agora mostrar cada dígito em cada display de 7 segmentos. Usaremos nesse caso o CI DM7447, que através de uma lógica combinacional transforma a entrada de um binário de 4 bits em uma representação do número em decimal em um display de 7 segmentos. funcionamento: O componente segue o seguinte esquemático de ligação e 14

16 Figura 9 Circuito Integrado DM Display de 7 segmentos O display de 7 segmentos é um arranjo de 7 diodos foto-emissores (LED), que são posicionados de forma que se possa ser representados os números de 0 a 9. Figura 10 Display 7 segmentos 15

17 Após a decodificação BCD-7 segmentos fica completo o processo de aquisição de dados, com o sensor de temperatura e a visualização em um display, para o fim de monitoramento da temperatura do aquário. 2.6 Mudança de projeto A idéia inicial do projeto seria utilizar em conjunto um conversor analógico digital (para realizar a conversão do sinal analógico gerado pelo LM35 para sinal digital), um decodificador binário - BCD (para codificar o sinal digital em um conjunto apropriado de binários para a representação no display 7 segmentos) e um decodificador BCD 7 segmentos (para transformar um binário de 4 bits para um número decimal no display). No entanto, por questões de complexidade e viabilidade econômica, optamos por utilizar o CI ICL 7107, que engloba esses 3 componentes e realiza as tarefas, tanto do conversor analógico digital, como dos decodificadores, conforme será explicado mais adiante. 2.7 Circuito Integrado ICL7107 Primeiramente, tínhamos optado por combinar o conversor analógico digital (ADC0804), o decodificador binário BCD e o decodificador BCD/7 segmentos em um mesmo circuito para gerar os dígitos no display 7 segmentos. No entanto, simplificaremos o circuito utilizando o circuito integrado ICL 7107, que funcionará como um conversor analógico digital direto capaz de produzir a saída diretamente no display 7 segmentos. O ICL 7107 tem alta performance, necessita de pouca potência, possui um conversor analógico digital de 3 ½ dígitos e nele estão incluídos decodificadores de sete segmentos, drivers de display, uma referência e um clock. O ICL 7107 apresenta como algumas de suas principais características a sua alta precisão em relação à entrada, 1pA de corrente de entrada, baixo ruído, possui clock interno e uma referência, baixa potência dissipada, dispõe de 40 pinos e seu funcionamento se processa à temperatura ambiente (de 0ºC a 70ºC). 16

18 Figura 11 - Interior do ICL7107 Figura 12- Decodificadores de 7 segmentos internos 17

19 2.8 Circuito do Projeto de Monitoramento da Temperatura Figura 13 Circuito do Projeto Componentes do Circuito RC: Resistores(Ω, 1/3W, 5%): R1=R2=R4=100K, R3=22k, R5=470k, R6=1M, R7-R12=470, P1=20k, trimpot, 15 voltas. Capacitores: C1=2200 µf/16v eletrolítico, C2=1000 µf/16v eletrolítico, C3 =C4=1µF/35V eletrolítico, C5=C6=C10=0,1 µf/160v poliéster, C7=100pF cerâmica, C8=0,047 µf/250v poliéster, C9=0,22 µf/160v poliéster, C11=0,01 µf/250v poliéster Circuito Integrado: A=LM35. O esquema da fig.13 corresponde ao sistema de monitoramento de temperatura, ele lê a tensão do CI LM35 e faz as devidas conversões e mostra nos displays de 7 segmentos o valor da temperatura medida. O circuito RC seta o CI ICL7107 a constante de tempo que define o tempo de cada leitura do LM35, com os componentes utilizados se obtém 2 leituras a cada segundo. O trimpot permite o ajuste do valor da leitura nos dígitos. 18

20 O circuito pode ler valores entre -55 até 150 ºC, utilizamos 5 displays de 7 segmentos, 3 displays irão representar cada um a centena, dezena e unidade e um para a casa depois da vírgula e o display restante representa a unidade medida que é grau Celsius. 2.9 Sistema de Acionamento Automático do Aquecedor Figura 14 Esquemático do sistema O sistema de acionamento automático do aquecedor é formado por um amplificador operacional que compara 2 tensões a limiar que é o limite estabelecido e a tensão de saída do sensor de temperatura. Através dessa comparação verificamos se a temperatura está menor que a desejada, se isso for verdade o relé é acionado e consequentemente o aquecedor de 1w/127v é acionado aquecendo a água para que se chegue a temperatura desejada. 19

21 3.0 Resultados Práticos Conforme proposto em nosso projeto, montamos um circuito em um proto-board para a aquisição e visualização de valores. Primeiramente alimentamos o protoboard com tensões de +5V e -5V, que são passadas a duas entradas do CI ICL 7107 para garantir seu funcionamento. Na entrada do LM35 coloca-se uma tensão de 5V e sua saída consistirá no sinal analógico que representa a temperatura atual. Esse sinal é colocado em uma das entradas do ICL O circuito integrado, então, gera as saídas nos displays de 7 segmentos. Por enquanto falta o acionamento automático do aquecedor quando forem rompidas determina as temperaturas, mas consiste em um projeto que julgamos ser viável até o dia da apresentação. Circuito com os displays e o ICL

22 4.0 Referências Bibliográficas 1. Datasheet LM35 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009] 2. Membres.lycos.fr [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009] 3.Peixe Betta [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009] 4. Peixe beta: fácil de cuidar [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009] 5. Aquário vivo [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009] 6.Aquabetta Tudo para seu Aquário Curitiba/PR [Online][Acesso em 29 de maio de 2009] 7. Datasheet DM7447 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009] 8. Datasheet DM74185 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009] 9. Datasheet ICL7107 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009] 21