Arduino Lab 06 Leitura de um sensor de temperatura do tipo NTC com o Arduino

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1 Arduino Lab 06 Leitura de um sensor de temperatura do tipo NTC com o Arduino Imagem montagem Resumo Neste Lab trataremos da leitura de temperatura utilizando um sensor do tipo NTC (Negative Temperature Coeficient). Um circuito será utilizado para amplificar e filtrar os sinais provenientes deste sensor e um display gráfico irá indicar os valores de temperatura para o usuário em valores numéricos e no tempo. Este Lab tem como coautores os meus colegas de TCC que contribuíram para esta parte do trabalho final. Uma imagem dos dispositivos utilizados neste Lab é indicada abaixo.

2 Dispositivos a serem utilizados O termistor NTC Os termistores são dispositivos que apresentam em seu interior um resistor sensível a temperatura. Os do tipo NTC são normalmente compostos de materiais semicondutores. Embora sensores que apresentam um coeficiente de temperatura positiva estejam disponíveis no mercado, a maioria dos termistores tem um coeficiente de temperatura negativo (NTC), ou seja, sua resistência diminui com o aumento da temperatura. Neste Lab iremos utilizar um NTC com encapsulamento metálico de contato de pele assim como é mostrado na imagem abaixo. Sensor NTC de pele O coeficiente de temperatura negativo pode atingir uma alta porcentagem de variação por graus Celsius, permitindo que o circuito empregado detecte mudanças minúsculas na temperatura que não poderiam ser observadas utilizando outros tipos de

3 sensores como os RTDs (Resistance Temperature Detector) ou Termopares. O grande preço de se ter um dispositivo sensível é a perda de linearidade com o aumento da temperatura. O termistor é um dispositivo extremamente não linear e altamente dependente de parâmetros do processo ao qual se trabalha. Devido a esse fato, os fabricantes de termistores ainda não padronizaram as curvas deste sensor assim como fizeram com os Termopar. Uma curva comparativa entre o NTC e o RTD é indicada abaixo. Curva NTC e RTD O intervalo de medida de temperatura com termistores, na prática para alguns modelos de NTC, está limitado a 100 C devido a estabilidade pobre do sensor quando submetido a altas temperaturas. A precisão na medida depende da técnica empregada para medida da variação da resistência e da calibração do sensor. Com o uso de uma técnica apropriada, temperaturas de 125 C pode ser medida com uma precisão de 0,01 C. Se o sinal de temperatura é lido através de um sistema de aquisição de dados, é mais adequado realizar a linearização da medida após a conversão analógica-digital no microprocessador / microcontrolador. Para isto pode se utilizar um polinômio gerado a partir de medidas de dados empíricos e comparação com um termômetro padrão. A construção deste polinômio será

4 tratado mais adiante. Aquisição do sinal A temperatura, inicialmente, é obtida analogicamente através da variação de resistência do termistor quando em contato direto com a pele de uma pessoa. Um divisor de tensão referenciado em uma tensão constante de 3V, obtida com o uso do diodo Zener em paralelo, é utilizado para captar a queda de tensão sobre o sensor que NTC que em seguida é encaminhado ao amplificador de instrumentação INA122P. O esquema do amplificador é ilustrado abaixo. Diagrama Interno do INA122P O INA122P é um amplificador de instrumentação de precisão, para aquisição de sinais susceptíveis a pequenos ruídos. É um amplificador com bom desempenho e baixo consumo de corrente. É ideal para instrumentação portátil e sistemas de aquisição de dados. Um capacitor de 1µF é utilizado em paralelo com o divisor de tensão para eliminação de ruídos. Para manter a mínima variação de tensão de referência, utilizamos um Zener de 3 volts. A entrada inversora (pino 2) é aterrada (0V) e a entrada não inversora (pino 3) é alimentada

5 com a queda de tensão advinda do divisor de tensão, ou seja, a queda de tensão proveniente no sensor. É utilizado um resistor entre os pinos 1 e 8 para cálculo do ganho. O RG utilizado é de 200kΩ, logo temos um ganho de 6 para este amplificador de acordo com a necessidade de amplificação do sinal. O circuito de aquisição é mostrado abaixo. Esquemático de Aquisição Uma imagem com a montagem em uma Protoshield é mostrada abaixo. Montagem na Protoshield Como o sensor NTC não apresenta um comportamento linear, foi utilizado um polinômio de terceira ordem afim de adquirir boa precisão e confiabilidade nas leituras. Para criar este polinômio um termômetro calibrado foi utilizado como referencia de temperatura. Assim, apanhamos os valores de resistência medidas no terminal do sensor e a tensão na saída do circuito amplificador e construímos a tabela abaixo.

6 Tabela com os valores dos indices O polinômio utilizado foi gerado no Matlab, pelo método do Polinômio interpolador de Lagrange, de acordo com os dados indicados na tabela acima, e é mostrado abaixo. Código Matlab para gerar os coeficientes do polinômio Com os coeficientes determinados, o seguinte polinômio foi obtido: Onde: temp -> Valor da temperatura em graus Celsius v -> Valor da conversão proveniente do microcontrolador. AD do Algoritmo e testes O sinal amplificado pelo circuito descrito acima é enviado para o canal analógico A0 do Arduino. A conversão é feita e o resultado aplicado ao polinômio. Os valores de temperatura são

7 indicados no display com o controlador PCD8544, muito conhecido como Nokia 5510, na forma numérica e no tempo em forma de gráfico. Quando o gráfico é totalmente preenchido, o cursor retorna a esquerda, no ponto zero no eixo do tempo, e os pontos antigos são apagados de acordo com o preenchimento dos novos pontos. Este funcionamento pode ser observado no vídeo indicado pelo link abaixo. Para o Display, algumas funções foram implementadas no próprio corpo do algorítmo principal não sendo necessário baixar nenhuma biblioteca extra. Desta forma, com uma análise minunciosa do código, muitos outros tipos de gráficos e representações podem ser gerados neste display. O algoritmo é indicado logo abaixo. [crayon-58c40b3cd1b /] Conclusão Neste Lab trabalhamos a aquisição de temperatura utilizando um sensor NTC. O circuito de condicionamento do sinal e o polinômio interpolador foram os pontos chaves deste protótipo. A representação gráfica dos valores da temperatura só foi possível devido a simplicidade de trabalho com o controlador PCD8544 do display e a construção versátil e bem entendida da biblioteca de comunicação. Novos protótipos podem ser criados com base neste apresentado neste Lab. Em ocasiões futuras, trabalharemos em um projeto de leitura de termopares industriais tomando como base este Lab.

8 Imagem Display Intel Edison Lab 04 Mostrando dados do Intel Edison no display do Nokia 5110 em Python

9 Imagem Aplicação Neste Lab iremos tratar dos passos para enviar comandos de configuração e dados para o display de LCD gráfico, muito utilizado nos antigos celulares Nokia 5110, com o controlador PCD 8544 da Philips. Alguns dados internos do Edison como temperatura dos dois núcleos do processador, hora e data internas do sistema e o endereço IP no qual o Edison está registrado também serão indicados do Display. Display de LCD gráfico Os displays gráficos são comumente utilizados em aplicações onde deseja-se indicar símbolos, desenhos, pequenos gráficos ou figuras com qualidade monocromática aos usuários. O display que vamos trabalhar neste Lab apresenta as seguintes principais características: Matriz de pontos monocromáticos; Interface serial com velocidade máxima de 4 Mbits/s; Controlador interno PCD8544; Retro iluminação à LED; Tensão de operação (módulo) 2,7 a 5,0 V; Baixo consumo de energia (LEDS desligados); Temperatura de trabalho em -25 C a +70 C; Controlador PCD8544 O controlador/driver PCD8544, fabricado com tecnologia CMOS, foi desenvolvido para controlar um display gráfico de 48 linhas e 84 colunas. Todas as funções necessárias para o display estão embutidas em um único chip incluindo geração da tensão de alimentação e polarização AC necessárias para o LCD, resultando em um baixo consumo de energia e mínima necessidade de componentes externos para seu correto funcionamento. Um diagrama da estrutura interna deste driver está indicado na figura abaixo.

10 Diagrama Estrutura PCD8544 Endereçamento da memória O arranjo do endereçamento da memória que é indicado na figura acima (DDRAM) é uma matriz que consiste de 6 linhas (Endereçamento em Y), que abrange do endereço 0 ao 5 (101), e 84 colunas (Endereçamento em X) que opera do 0 ao 83 ( ). Endereços fora desta faixa de valores não são suportados pelo controlador. Para acessar uma posição específica no display, devemos relacionar um endereço em X e outro em Y assim como é feito em uma matriz comum de dados. Os dados devem ser enviados para o display em pacotes de 8 bits (1 Byte) e estes serão organizados como linhas verticais e, neste caso, o bit MSB (Most Significant Bit) será posicionado em baixo e o LSB (Last Significant Bit) será posicionado em cima. Podemos observar esta organização nas figuras abaixo: Escrita MSB primeiro

11 Mapa memória DDRAM Podemos escrever os dados na memória endereçável (DDRAM) do controlador continuamente e os valores para endereços em X e Y serão incrementados automaticamente. Neste caso, temos dois métodos para configurar o formato da operação de endereçamento. No modo vertical de endereçamento (V=1), as posições em Y serão incrementadas após cada byte de dados recebidos no controlador (Próxima figura). Após o último endereço em Y (Y=5), o posicionador do eixo Y irá retornar para a posição 0 e o X será incrementado para a próxima coluna.

12 Dinâmica modo Vertical No modo horizontal de endereçamento (V=0), o endereço em X incrementa após cada byte (Observe a figura abaixo). Após o último endereço em X (X=83), o posicionador de X irá retornar para a posição 0 e o Y incrementa para a próxima linha. Após o último endereço (X=83 e Y=5) os posicionadores retornarão para o início novamente (X=0 e Y=0). Dinâmica modo Horizontal Terminais de controle do LCD Os sinais de controle e operação do display são enviados de forma serial de acordo com a operação e combinação dos pinos. A descrição destes pinos é apresentada na tabela abaixo.

13 Imagem pinos do display Tabela pinos do display Formato da comunicação O formato dos comandos que são utilizados para comunicar com o LCD é dividido em 2 modos, sendo eles: Command Mode e Data Mode sendo o pino DC utilizado para alternar entre estes dois modos. Se o valor 0 for atribuído ao pino DC (DC=0), o dado que será enviado ao LCD será interpretado como comando e se DC=1, o dado enviado será interpretado como Dado. Após 1 byte de dados serem escritos, uma posição de endereço da memória DDRAM será incrementado automaticamente como

14 explicado acima. O formato dos dados é serial e o bit mais significativo (MSB Most Significant Bit) será enviado primeiro. Geralmente, esta estrutura acontece como mostrado na figura abaixo: Dinâmica dos dados Os modos para enviar os dados para o display também foram citados acima e a representação gráfica no tempo é indicada abaixo. Diagrama um Byte por vez Diagrama vários dados continuamente Qualquer dado enviado para o display ou alteração na linha de clock (CLK) será interpretado pelo controlador do display apenas quando o pino SCE estivar em nível baixo. Os dados serão trocados no pino DIN seguindo o intervalo do sinal de clock na borda de descida. Se o pino de reset estiver ativado, (RES=0) qualquer dado enviado para o controlador do display será cancelado. Quando RES = 1, no próximo pulso de clock, o dado será interpretado

15 como sendo pertencente ao bit 7 novamente, reiniciando a comunicação, assim como pode ser observado abaixo. Diagrama ação do pino RES Esquema de montagem O esquema de ligação entre o Display e o Intel Edison segue a ordem indicada na tabela e na figura abaixo, sendo a primeira uma visão global da montagem e a segunda um Zoom nas ligações. Tabela de ligação

16 Diagrama de ligação Diagrama de ligação ampliado Para facilitar a conexão entre o Edison e o Display, optamos por utilizar uma Arduino Proto Shield que se encaixa facilmente com o módulo do Edison. Uma imagem das ligações dos pinos e da montagem já com o Edison é indicada abaixo.

17 Imagem Proto Shield Imagem montagem final Programação e teste Inicialmente, declaramos as portas de comunicação e a matriz dos dados em Hexadecimal referente a fonte (Letras e símbolos) do display. Logo após iniciamos o display, e lemos o valor da temperatura nos dois núcleos e o endereço IP no qual o Edison está registrado. Subsequentemente, indicamos todos estes dados no display.

18 O algoritmo, feito em Python para a montagem deste protótipo é apresentado abaixo e uma imagem com o resultado da impressão dos dados no display também é indicada logo a seguir. [crayon-58c40b3cd2f /] Imagem indicação dos dados Observação: O método para copiar o algoritmo e a criação de um novo arquivo dentro da memória do Edison já foi abordado no Edison Lab 03. Conclusão Neste Lab observamos uma nova forma de interação entre o Edison e o usuário através do display Nokia Muitas informações podem ser indicadas neste display já que o mesmo é do tipo gráfico e permite que desenhos e gráficos sejam plotados. As limitações de aplicação dependem apenas do leitor já que o controlador deste display é de fácil interação. Arduino Lab 05 Leitura e

19 transmissão remota corrente utilizando nrf24l01 de o Imagem geral Aplicação Neste Lab iremos descrever a integração entre 5 dispositivos em uma aplicação de transmissão de dados de medição de corrente elétrica de um equipamento remoto para um Server via wireless utilizando o transceiver nrf24l01. Os dispositivos a serem utilizados para esta aplicação são: Arduino Nano, Arduino Uno, transceiver nrf24l01, RTC MCP9700 conversor de nível de tensão e um display de TFT ILI9163C.

20 Imagem dispositivos Sensor de Corrente TA Sensores de corrente não invasivos apresentam a vantagem de não ser necessário interromper o circuito para realizar a medição da corrente que passa pelo condutor. Eles são acoplados externamente e capturam os valores de corrente através do campo magnético gerado. Imagem Sensor de Corrente No nosso caso, estamos utilizando o sensor modelo TA produzido pela empresa YHDC que pode medir correntes de até 5A AC. As principais características deste sensor estão indicadas na tabela abaixo.

21 Especificações Corrente Sensor de Estes sensores também são conhecidos como transformadores de corrente pois trabalham com o princípio do acoplamento do campo magnético gerado pela corrente que passa pelo condutor ao enrolamento do sensor. O número de enrolamentos dentro do sensor exerce a função de amplificar o campo magnético captado. Neste sensor, a cada 5A que circula pelo condutor principal teremos 5mA na saída da bobina do sensor. É necessário um resistor de carga para que os valores de corrente gerados na saída do sensor sejam convertidos em tensão na proporção ideal à entrada do conversor AD do microcontrolador. Um resistor de precisão de 200Ω é utilizado. O diagrama simplificado do sensor é ilustrado abaixo. Esquema Sensor corrente de

22 Teste do sensor de corrente Um programa que interpreta os dados da leitura dos valores de corrente é indicado abaixo. Uma sequência importante deve ser obedecida para que os valores sejam interpretados de forma correta. Medir o pico de tensão no resistor de 200Ω ligado na saída do sensor; Converter a tensão em cima do resistor em valores de corrente através da lei de Ohm (I = E/R); Multiplicar o pico de tensão por ou 0,707 para termos valores em RMS (0,707 é aplicado somente a ondas senoidais puras); Multiplica o valor RMS da corrente por 1000 para melhor visualização do valor já que a relação é de 100 para 1. [crayon-58c40b3cd3ac /] Transceiver nrf24l01 O módulo de RF a ser trabalhado neste Lab apresenta o transceiver (dispositivo que envia e recebe dados) nrf24l01 da empresa Nordic. Ele é um chip que trabalha na frequência de 2.4GHz com uma tecnologia de banda base chamada ShockBurst desenvolvida para aplicações de baixo consumo. Chip nrf24l01 A operação na faixa de frequência denominada ISM (Industrial, Scientific & Medical), mundialmente reservada na banda de

23 2.400 a GHz, permite que estes dispositivos não necessitem de licença da Anatel para operar desde que a potência irradiada seja menor do que 1W. A comunicação com o nrf, para acesso ao mapa de registradores e envio dos dados a serem transmitidos, é feita através do protocolo de comunicação serial SPI. O rádio do nrf utiliza a modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift keying) para enviar e receber os dados pelo canal de comunicação através do ar. O módulo também pode trabalhar com uma taxa de transferência de até 2Mbps e com dois modos de economia de energia aliados a reguladores internos de tensão que tornam este dispositivo ainda melhor para aplicações ULP (Ultra Low Power). Faremos o uso de um módulo já pronto, com todos os capacitores, resistores e antena já prontos para operar. O mesmo é ilustrado na figura abaixo. Módulo nrf24l01 Esquema de ligação e teste Uma tabela com a descrição das conexões entre o nrf e o Arduino é indicada abaixo. Os outros componentes que compõem a

24 ideia desse protótipo foram tratados no Lab04 anteriormente. Tabela conexão entre Arduino e nrf O diagrama de ligação nas duas condições (Transmissor e receptor) está indicado logo abaixo. Uma atenção especial deve ser dada a tensão de alimentação do transmissor que é de 3V3 apesar de as entradas de dados serem tolerantes a 5V o que facilita a conexão com microcontroladores de diversos tipos. Diagrama de ligação Lado do Receptor

25 Diagrama de Transmissor ligação Lado do Algoritmo O algoritmo deste protótipo abrange a integração de todos os dispositivos, o que o torna um pouco mais complicado que os anteriores. No lado do transmissor, os valores da conversão provindos do AD do Arduino são armazenados em um buffer de duas posições sendo que cada posição ocupa um byte. A parte alta dos valores do AD é armazenada na na variável lo. Esta necessária devido aos estarem entre 0 e 1023 variável denominada hi e a parte baixa divisão entre parte baixa e alta foi valores da conversão de 10 bits do AD em decimal. [crayon-58c40b3cd3ae /] No lado do receptor os dados são recebidos pelo nrf e armazenados novamente em um buffer de duas posições. Logo após, um shift nos dados é necessário para unir os valores da conversão feita no dispositivo remoto. Estes valores são então convertidos em tensão e preparados

26 para a faixa de medição de 0 a 5 A do sensor. Todos os dados são indicados no display de LCD como observado na imagem abaixo. Imagem dados no Display [crayon-58c40b3cd3afd /] Observações Como principal proposta para trabalhos futuros fica a implementação de uma única biblioteca que gerencia o protocolo SPI dos dois dispositivos (Display e nrf) já que, de acordo com os sinais adquiridos no analisador lógico, alguns dados estão se perdendo no barramento SPI devido ao Chip Select ou Chip Enable do display entrar antes que a comunicação com o nrf termine. Lembrando que, neste caso, apenas um dispositivo por vez deve escutar os dados do barramento SPI através da seleção no CE. A imagem abaixo ilustra estas observações.

27 Imagem analisador logico captura com conflito Editada Conclusão Este simples protótipo foi proposto para exemplificar a integração de diversos dispositivos formando uma aplicação que pode ser comercial, com melhorias no software e hardware, já que as aplicações sem fio ganham destaque a cada dia em diversos equipamentos e dispositivos que facilitam a vida do homem. Duas imagens do protótipo final são apresentadas abaixo. Imagem Lado Transmisssor

28 Imagem Receptor e Transmissor