CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE SAÚDE E SERVIÇOS CURSO TÉCNICO DE METEOROLOGIA

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE SAÚDE E SERVIÇOS CURSO TÉCNICO DE METEOROLOGIA Resumo SIMULADORES DE SENSORES METEOROLÓGICOS F.A.K-5 Ana Carolini Pires racoone@gmail.com Flávio Fernandes by_flavio@yahoo.com.br Karoline da Silva Pessoa Lopes karolineelopes@hotmail.com Eduardo Beck (Orientador) ebeck@cefetsc.edu.br Este projeto tem como finalidade a elaboração de simuladores didáticos meteorológicos, de forma a obter-se a máxima semelhança com sensores meteorológicos comerciais quanto aos sinais de entrada e saída e suas conexões a um sistema de medição e controle (datalogger). Os sensores de temperatura, umidade, radiação, pressão e precipitação foram representados pelos simuladores construídos. Para isso foram elaborados circuitos eletro-eletrônicos, baseados nos dados dos sensores originais de tais variáveis meteorológicas, de forma a se obter a simulação desejada. Testes de conexão dos simuladores ao datalogger e programação dos sensores correspondentes foram realizados, obtendo-se os resultados esperados. Palavras-chave: sensor, circuito elétrico, simulador. Abstract This project aims at constructing didactic simulators of meteorological sensors in order to obtain the maximum resemblance to the commercial models with respect to the input/output signals and their connections to a datalogger. The temperature, humidity, radiation, pressure and rain gauge sensors were represented by the constructed simulators. In order to do this, electrical circuits were made base don data from the original sensors of the meteorological variables above mentioned in order to obtain the expected simulation. Connection tests of the simulators to the datalogger and the programming of the corresponding were carried out, yielding the expected results. Key-words: sensor, electrical circuits, simulator. 1. Introdução O objetivo desse Projeto Integrador é a construção de simuladores de sensores de temperatura, umidade, radiação, pressão e precipitação para uso didático em qualquer ambiente, sendo capaz de simular tais variações e obtendo dados semelhantes aos de sensores reais das estações meteorológicas automáticas, servindo assim de modelo para estudos

2 didáticos referidos a sistemas de medição e controle meteorológicos (dataloggers). Levando em consideração o custo elevado de sensores meteorológicos comerciais, esses simuladores serão construídos visando o baixo custo, de forma a se reproduzir o produto com facilidade para fins didáticos. Foram feitos os testes e ajustes necessários no circuito, para assegurar a qualidade e acurácia da informação que será enviada ao datalogger. Na seção 2 deste artigo serão discutidos os materiais e métodos utilizados, nas seções 3 e 4 serão detalhadas as características técnicas do projeto e os procedimentos de implementação, na seção 5 serão apresentadas as conclusões obtidas a partir deste projeto e, na seção 6, as referências bibliográficas utilizadas no desenvolvimento do projeto. 2. Materiais e métodos Os materiais elétricos e componentes eletrônicos utilizados neste projeto são todos de uso comercial de baixo custo. O material utilizado no gabinete que envolve o dispositivo, será em madeira, por oferecer resistência satisfatória. Componentes eletrônicos 1 trimpots de 1 K 3 trimpots de 4,7 K 3 potenciômetros de 1 K 1 potenciômetro de leds vermelhos 3 placas para confecção de circuito impresso 3 transistores BC558 (PNP) 3 transistores BC548 (NPN) 1 resistor de 3,3 K 4 resistores de 10 K 4 resistores de 1 K 1 resistor de 8,2 K 1 resistor de 100 Componentes elétricos Fios de diversas cores Conexões Barramento para conexões 1 pilha tipo AA Outros componentes Madeira Parafusos Silicone para colagem Isolantes Borracha Circuitos elétricos dos simuladores de temperatura, umidade e pressão: Os circuitos elétricos dos simuladores de temperatura, umidade e pressão, serão análogos, apenas com diferença na variação da tensão que será enviada ao datalogger, de forma semelhante aos sensores comerciais, que no caso dos simuladores de temperatura e umidade (figura 2) ficarão entre 0 e 1V (1000mV), simulando o modelo HMP45C, da Vaisala. Já o simulador de pressão (figura 1), terá sua tensão na saída para o datalogger variando de 0 à 2,5V (2500mV), simulando o modelo CS105, também Vaisala. Os modelos simulados possuem chaveamento interno para alimentação dos sensores que são controladas pela saída de controle do datalogger. Tal chaveamento também foi incorporado nos simuladores correspondentes, de forma a permitir todas as operações e programações que o usuário necessitar. Foi usado como simulador de precipitação (figura 4), cujo princípio de funcionamento é apenas a medição de um pulso elétrico, um botão tipo push botton. Este botão, quando for acionado, fechará o circuito, como no sensor comercial. Cada fechamento de chave do simulador será interpretado no datalogger como um tombamento da báscula de um pluviômetro comercial. O simulador do sensor de radiação (figura 3) tem uma característica singular, que difere dos demais simuladores. Numa estação automática, os sensores de temperatura, umidade e pressão são alimentos em 12 VDC pelo datalogger, que provê essa fonte de

3 energia. Já o sensor de radiação, é composto por um fotodiodo, que transforma a energia solar em energia elétrica, ou seja, esse sensor não precisa ser alimentado pelo datalogger, pois o mesmo possui o fotodiodo que provê sua própria energia. A solução que encontrou-se para este simulador, foi dotar o circuito com uma fonte de energia própria, ou seja, foi inserida no circuito uma pilha de 1,5 V, que irá simular a energia gerada por um fotodiodo. Figura 3: Esquema do circuito elétrico do simulador do sensor de radiação. Esquemas dos circuitos elétricos dos simuladores: Figura 4: Esquema do circuito elétrico do simulador do sensor de precipitação. Valores Figura 1: Esquema do circuito elétrico do simulador do sensor de pressão Figura 2: Esquema do circuito elétrico do simulador do sensor de temperatura e umidade. Pressão: R1= 3,3 K R2= Trimpot de 1 K R3= Potenciômetro de 1 K R4= Resistor para função controle R5= Resistor para Led T= Transistor para função controle Temperatura e Umidade: R1= R 10 K R2= Trimpot de 2,2 K R3= Potenciômetro de 1 K R4= Resistor para função controle R5= Resistor para Led T= Transistor para função controle Radiação: R1= R 8,2 K R2= Trimpot de 2,2 K R3= Potenciômetro de 100 R4= Resistor para Led Precipitação:

4 Chave push-botton R1= 100 Tabela da conexão sensor de temperatura Modelo HMP45C Amarelo Sinal Temp. Analog. simples Roxo Referência Porta AG Laranja Controle Porta C1 Preto Aterramento Porta AG Tabela da conexão do sensor de umidade r. Modelo HMP45C Azul Sinal U.R. Analog. simples Roxo Referência Porta AG Laranja Contole Porta C2 Preto Aterramento Porta AG Tabela da conexão do sensor de Pressão Modelo CS105 Azul Sinal Pressão Diferencial H Amarelo Referência Diferencial L Verde Controle Porta C3 Preto Aterramento Porta GND Tabela da conexão do sensor de radiação Modelo SPLite Branco Sinal Radiação Diferencial H Verde Referência Diferencial L Transparente Aterramento Porta G Tabela da conexão do sensor de precipitação Modelo TBA Preto Sinal Precip. Pulso P1 Branco Referência Porta G Transparente Aterramento Porta G 4. Procedimentos: Como procedimento inicial, tomou-se a decisão de que o circuito elétrico dos simuladores seria do tamanho de uma placa padrão de circuito impresso vendida nas lojas, medindo 5 x 10 cm. Foram usados nos circuitos, a fim de obter as tensões e correntes desejadas, resistores de valores fixos, trimpots (resistores variáveis), para ajuste fino do valor máximo de tensão de saída, e potenciômetros (também resistores variáveis), que tem como função simular o próprio sensor, produzindo a variação de tensão de saída que será enviada ao datalogger, cuja variação será interpretada como acréscimo ou decréscimo da variável atmosférica. Além dos resistores acima descritos, também foram utilizados transistores, a fim de obter a simulação da função de controle do datalogger, ou seja: permitir que o datalogger faça a otimização da energia disponível, apenas ligando o circuito instantes antes de fazer a medição, voltando a desligá-lo em seguida, racionalizando o uso da energia. Os sensores que possuem essa chave de controle interna são os sensores de temperatura, umidade e pressão. Para a simulação dessa chave foi feito um circuito eletrônico de chaveamento que é controlado pela saída de controle do datalogger, da mesma forma que é feita nos sensores reais. Após fazer os cálculos necessários, transferiu-se o desenho do circuito para a placa de circuito impresso. Foram feitas as trilhas necessárias e foram soldados todos os componentes. Em seguida, realizou-se os testes com o uso de multímetros, para nos certificarmos que as tensões e correntes estavam de acordo com o que fora calculado. Para o gabinete do simulador, foi construída uma caixa medindo 45x20x20, cuja face será inclinada para o operador. Usou-se madeira tipo compensado, pois nosso objetivo, é a construção de um simulador de baixo custo, e que ofereça facilidade de operação e acesso aos circuitos elétricos.

5 Os testes finais foram realizados com a conexão de todos os simuladores a um datalogger CR800, utilizando-se a programação exata dos sensores comerciais já citados, incluindo a operação de ligamento e desligamento dos sensores de temperatura umidade e pressão, obtendo-se os resultados esperados (máximos e mínimos de cada sensor, processo de variação e operação de ligamento e desligamento através da saída de controle do datalogger). 5. Conclusão: De acordo com os diversos testes realizados nos circuitos de simulação de sensores podemos concluir que todos os circuitos funcionaram corretamente, simulando sinais de saída semelhantes aos sensores reais de temperatura, umidade, pressão, radiação e precipitação, bem como suas chaves de controle. O projeto demonstrou a viabilidade do uso de simuladores de sensores meteorológicos em aplicações didáticas, já que todas as funcionalidades, programações e conexões foram preservadas. Em projetos posteriores, poderá ser aprimorado o layout dos circuitos eletrônicos e anexados os simuladores de novos sensores. 6. Referências bibliográficas: Manual CS105/CS105MD Barometric Pressure Sensor. Manual SP-LITE Silicon Pyranometer. Manual Model HMP45C Temperature and Relative Humidity Probe. Manual CSI Model TB4 Rain Gage. Manual PNP Epitaxial Silicon Transistor.