Aplicação de um Processador Digital de Sinais em um Sistema de Nível de Líquido

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1 PR UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação Relatório Final de Atividades Aplicação de um Processador Digital de Sinais em um Sistema de Nível de Líquido vinculado ao projeto Medidas de Previsibilidade de Sinais de Voz Usando Modelagem por Wavelet-Packets para Classificação de Patologias da Laringe Paulo Roberto dos Santos Bolsista Fundação Araucária Engenharia Elétrica Data de ingresso no programa: Ago/2014 Prof(ª). Dr(ª). Paulo Rogério Scalassara Área do Conhecimento: Controle de Processos Eletrônicos, Retroalimentação CAMPUS CORNÉLIO PROCÓPIO, 2015

2 APLICAÇÃO DE UM PROCESSADOR DIGITAL DE SINAIS EM UM SISTEMA DE NÍVEL DE LÍQUIDO Paulo Roberto dos Santos [Bolsista / Fundação Araucária] 1, Paulo Rogério Scalassara [orientador] 2 1 Aluno do curso de Engenharia Elétrica 2 Coordenador do projeto Campus Cornélio Procópio Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR Avenida Alberto Carazzai, 1640 santospaulor21@gmail.com, prscalassara@utfpr.edu.br Resumo Neste projeto se propõe dar continuidade aos trabalhos realizados em sistemas de nível de líquidos na planta didática Datapool. A proposta é aproveitar os trabalhos desenvolvidos anteriormente, a fim de restabelecer sua operação, sugerindo melhorias durante o processo. Essas melhorias têm o propósito de torná-lo mais flexível e robusto, levantando possíveis fontes de distúrbios e propondo soluções para minimizá-las. Para este trabalho, se propõe a substituição do microcontrolador Arduino por um Processador Digital de Sinais (DSP), onde, a priori, realiza-se o controle de nível somente em malha aberta, fazendo uma interface em tempo real com o computador. Os resultados obtidos serão analisados via osciloscópio e IDE de programação do processador. Para projetos futuros, pretende-se usar toda a capacidade de processamento do DSP para implementar teorias de controle clássico e moderno a planta, a fim de aprofundar o estudo de controle de sistemas. Palavras-chave: Sistemas de Nível de Líquidos; Microcontrolador Arduino; Processador Digital de Sinais; Controle de Sistemas. INTRODUÇÃO Ter um sistema de controle de nível de líquidos é de extrema importância em muitos processos, seja no meio acadêmico para uso de pesquisa ou em meio industrial. Tal sistema é controlado a fim de oferecer parâmetros de operação específicos, mediante a cada tipo de processo [1]. Deste modo, neste projeto, aplica-se o controle de nível de líquido na planta didática Reservatório de líquido do Módulo de Nível e Temperatura 2325 Datapool, conforme a Figura 1.

3 Figura 1. Reservatório de líquido [2]. Para este trabalho, controla-se somente o nível do tanque superior, medindo-se a altura do líquido por meio de um sensor ultrassônico, da família TTL [3]., HC-SR04, conforme Figura 2. Figura 2. Transdutor de distância do nível do líquido [3]. De acordo com os dados operacionais do sensor, os sinais captados em seus terminais são convertidos para distância em centímetros. Essa conversão é feita via programação em linguagem de alto nível, C. Visto a necessidade de se realizar processamento de sinais em

4 tempo real, fez-se uso do Processador Digital de Sinais (DSP), da família TMS28335, conforme Figura 3. Figura 3. Processador Digital de Sinais, fabricante Texas Instruments [4]. Antes, porém, para realizar a comunicação DSP sensor, fez-se necessário o condicionamento de sinais utilizando-se de buffers específicos, visto que o DSP pertence à família CMOS (+3,3V) e o sensor a família TTL (+5,0V). Para acionamento da bomba d água, desenvolveram-se dois protótipos, sendo o primeiro com acionamento de carga à relé de interface (Figura 4), e o segundo, por meio de uma Ponte H (Figura 4). Para cada protótipo, fez-se a análise de sinais de operação no osciloscópio digital e via IDE de programação em tempo real Code Composer Studio. METODOLOGIA Figura 4. Ponte H dupla (DUAL FULL-BRIDGE DRIVER) [5]. Como mencionado anteriormente, utilizou-se o DSP para processamento de sinais, leitura dos sinais do sensor, conversão do sinal para unidade métrica, comunicação em tempo real com a planta e acionamento da bomba d água.

5 Tem-se na Figura 5 o diagrama simplificado da metodologia de controle do sistema de nível. Figura 5. Diagrama do sistema de nível. Deste sistema, tem-se que por meio do computador pessoal (PC), há a ativação do DSP com a planta em realtime. Para operar, o sensor necessita de um disparo na entrada trigger e, após esse disparo, um trem de pulso é emitido até o líquido que retorna outro sinal para o pino de echo. Feito os condicionamento dos sinais, o DSP recebe o sinal do pino de echo e o programa elaborado calcula a altura do nível d água. Se o nível estiver de acordo com a referência adotada, a bomba mantém-se desligada. Caso contrário, a bomba é acionada até o nível medido coincidir com o desejado. Todas as medidas são monitoradas em tempo real, por meio da tela de comunicação da IDE. Para o protótipo um, o circuito esquemático é conforme a Figura 6. Figura 6. Protótipo um utilizando relé de interface.

6 Posteriormente, para o protótipo dois, retirou-se o circuito de interface a relé e o substituiu por uma ponte H, conforme o esquemático da Figura 7. Figura 7. Protótipo um utilizando relé de interface. Por fim, analisaram-se o comportamento dos sinais do sensor para ambos os protótipos via osciloscópio e em ambiente de programação. RESULTADOS E DISCUSSÃO Obtenção das formas de ondas características do sensor ultrassônico, utilizando-se do protótipo um. Executando-se o programa para comunicação com o sensor ultrassônico, obtiveram-se, por meio do osciloscópio, os sinais nos pinos de trigger e echo, conforme a Figura 8. Pulso de trigger Pulso de echo Ruído Figura 8. Ensaio I: adquirindo um sinal[3].

7 Medindo-se o período de tempo em que o pino echo ficou em nível lógico alto, tem-se que o nível do líquido no tanque foi de, aproximadamente, 9,1 cm, sendo que a referência adotada foi de 10 cm. Observa-se do sinal obtido que, para o pulso de echo, apresentou-se um ruído constante na forma de onda. Tal distúrbio no sinal pode ocasionar imprecisão na medição do nível do tanque. Levando-se em conta que este primeiro protótipo usou-se um relé de interface para acionamento da bomba d água, atribui-se à chave o efeito do ruído no sinal que retorna a distância do líquido. Leitura do nível do tanque em tempo real, em ambiente Code Composer Studio. Usando-se a função Real time with restart do assembler do DSP, pode-se monitorar o nível do tanque em tempo real, conforme as Figuras 9 e 10. Figura 9. Visualização em realtime de comunicação entre DSP e sistema de nível. Altura do líquido 10 cm Figura 10. Visualização em realtime de comunicação entre DSP e sistema de nível.

8 Observou-se boa precisão nas medidas realizadas para o controle em malha aberta, uma vez dada à referência de 10 cm, obteve-se um retorno de, aproximadamente, 10,07 cm. Obtenção das formas de ondas características do sensor ultrassônico, utilizando-se do protótipo dois. Visto que com a utilização do relé de interface houve ruídos no sinal de echo do sensor, fez-se necessário o uso de uma ponte H, cujas características de tensão e corrente estão em um circuito integrado dedicado, facilitando também futuros acionamentos e controle da bomba via PWM. Deste modo, obteve-se as formas de onda para o protótipo dois, conforme a Figura 11 abaixo: Pulso de echo Figura 11. Forma de onda para o protótipo acionado via ponte H. Observa-se da figura acima que o sinal obtido do pino a ausência do ruído provocado por trepidação do relé eletromecânico. Isso torna a utilização da ponte H eficaz no acionamento de motores DC, sem contar a praticidade de inversão de rotação e controle de velocidade. CONCLUSÕES Neste trabalho apresentou-se a aplicação de um DSP para o controle de um sistema didático de nível de líquido. Abordou-se o uso do sensor ultrassônico para medição da altura do nível do líquido, tipos de acionamento da bomba d água (à relé e ponte H), condicionamento de sinais digitais, funcionalidades do processador digital e suas funções avançadas. Atingiu-se o objetivo de controlar o nível da planta didática e observar a variável de saída em tempo real (via IDE de programação), além do que se fez uso de uma potente ferramenta de processamento de sinais, que é o DSP. Para trabalho futuros, tem-se por objetivo a continuação deste trabalho e melhoramento na parte de controle em malha fechada e interface com o MatLab, com aplicação de teorias de controle clássico e moderno. AGRADECIMENTOS Total agradecimento à Fundação Araucária pelo suporte material e financeiro, que possibilitou a realização deste trabalho.

9 REFERÊNCIAS [1] CAMPOS, M. C. M. M. de; TEIXEIRA, H. C. G. Controles típicos de equipamentos e processos industriais. São Paulo: Blucher, [2] DATAPOOL. Módulo 2325 controle de temperatura e nível. Disponível em: < Acesso em: 25 ago [3] ELEC FREAKS. Ultrasonic ranging module hc sr04. Disponível em: < Acesso em: 25 ago [4] TEXAS INSTRUMENTS. Digital signal processor tms320f Disponível em: < Acesso em: 24 ago [5] STMICROELECTRONICS. Dual full-bridge driver. Disponível em: < >. Acesso em: 20 ago