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projeto de micro
Tipologia: Notas de aula
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Turma de Microprocessados Fundação Universidade Federal de Rondônia, Núcleo de Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica - DEE Bacharelado em Engenharia Elétrica - 7o^ Período - Disciplina de Sistemas de Microprocessados
Resumo—Projeto referente a disciplina de microprocessados, consiste na pesquisa, desenvolvimento e construção de um sistema de monitoração e controle a distância para dois motores, o projeto tem a função de monitoração dos parâmetros: correte elétrica, temperatura, e tensão elétrica aplicada sobre os terminais, esses parâmetros serão monitorados nos dois motores e estes mesmos valores podem ser acompanhados em uma estação remota através de Wi-Fi, um computador remoto através da internet ou até mesmo por um celular, além disso os motores podem ser controlados quanto ao sentido de giro e o seu funcionamento. Index Terms—Controle, Motores, XBEE, Monitoramento, Temperatura, Corrente, Tensão.
I. INTRODUÇÃO
A. Sensor de Temperatura - LM
O sensor LM35 é um sensor de precisão, fabricado pela National Semiconductor, que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se encontrar no momento em que for alimentado por uma tensão de 4-30 V DC e GND, tendo em sua saída um sinal de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura, sendo assim, apresenta uma boa vantagem com relação aos demais sensores de temperatura calibrados em “Kelvin”, não necessitando nenhuma subtração de variáveis para que se obtenha uma escala de temperatura em Graus Celsius. Sua faixa de medição é de -55 ◦C a + ◦C com uma precisão de ± 0,5 ◦C. Este sensor tem saída
com baixa impedância, tensão linear e calibração inerente precisa, fazendo com que o interfaceamento de leitura seja especificamente simples, barateando todo o sistema em função disto. Este sensor poderá ser alimentado com alimentação simples ou simétrica, dependendo do que se desejar como sinal de saída, mas independentemente disso, a saída continuará sendo de 10mV/◦C. Ele drena apenas 60μA para estas alimentações, sendo assim seu auto-aquecimento é de aproximadamente 0,1◦C ao ar livre. O sensor LM35 é apresentado com vários tipos de encapsu- lamentos, sendo o mais comum o TO-92, 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. A grande diversidade de encapsulamentos se dá devido à alta gama de aplicações deste integrado. [5]
Figura 1. Sensor LM
O sensor ACS712 fornece soluções econômicas e precisas para sensoriamento de correntes alternada de contínua nos industriais, comerciais e de sistemas de comunicação. Apli- cações típicas incluem funções como: controle de motores, detecção de carga, falha de proteção de sobrecorrente, etc. O dispositivo não se destina a aplicações automotivas. A corrente aplicada que flui através de uma condução de cobre gera um campo magnético o qual é convertido a uma tensão proporcional através de um circuito linear baseado em correntes de efeito Hall. A força do campo magnético é propor- cional à grandeza da corrente através do caminho de condução, proporcionando uma relação linear entre a tensão de Hall de saída e a corrente de condução de entrada. O condicionador de sinais on-chip e um circuito de filtro estabiliza e aumenta a tensão induzida de Hall para um nível adequado de modo que possa ser medido através de um canal analógico digital de um microcontrolador A precisão do dispositivo é otimizada através da proximi- dade do sinal magnético para o transdutor Hall. [6] Características do ACS712:
Figura 2. Sensor de corrente ACS
C. Sensor de Tensão
O sensor de tensão consiste em um circuito linear conversor de tensão CA em CC. Esta tensão CC foi condicionada para sofrer uma variação de 0 a 4.7V (limitada pelo diodo zener). O circuito é composto de um transformador abaixador com tap central, divisor de tensão para ajuste de precisão, um bloco de retificação de onda completa em um filtro capacitivo para reduzir a tensão de ripple gerada na retificação, como pode ser visto na Figura 3.
Figura 3. Sensor de tensão
O circuito foi projetado para possuir uma tensão de ripple de aproximadamente 0, 1% da tensão de pico de entrada e apresentar um tempo de resposta de cerca de 0,12 segundos.
D. Sensor de Segurança por perímetro
Este sensor possui como objetivo a segurança pessoal. Baseia-se no princípio da emissão de infravermelho por um LED, e na recepção por um fototransistor. Logo, a presença constante do infravermelho no fototransistor faz com que o transistor NPN do circuito permaneça saturado e a tensão de saída seja próximo de zero. Logo, quando o infravermelho for interrompido o transistor não estará mais saturado e a saída para o microcontrolador será próximo da alimentação de 5V, este sinal será responsável no projeto pelo desligamento do motor, prevenindo eventuais acidentes.
Figura 4. Sensor de Segurança por perímetro.
E. Importância de Monitoramento
H. O Padrão ZigBee
As redes sem fio estão presentes em todos os lugares. No nosso dia a dia é comum manusearmos aparelhos eletrônicos que utilizam diversos padrões de rede sem fio para se comuni- car, como WiFi e Bluetooth. Apesar da grande quantidade de padrões existentes, no ano de 1999 foi identificado um nicho de mercado ainda não explorado e que motivou a criação do padrão ZigBee. A maioria das tecnologias existentes até então oferecia altas taxas de transmissão para um número relativamente pequeno de dispositivos e com um alto consumo de energia. Nenhuma delas proporcionava uma infraestrutura de rede que apresentasse as seguintes características:
Figura 9. Aplicações do padrão ZigBee.
I. Dispositivos Xbee
Dentre os vários dispositivos de hardware baseados no protocolo ZigBee, um modelo bastante conhecido é o XBee, atualmente fabricado pela líder de mercado Digi International, que adquiriu a MaxStream, antiga fabricante deste dispositivo. Os módulos XBee são compostos, basicamente, por um mi- crocontrolador e um transceptor. O microcontrolador contém o firmware com a implementação do protocolo ZigBee e a especificação do comportamento do dispositivo (Coordenador, Roteador ou Dispositivo Final). Cada dispositivo possui dois endereços, o MY (16 bits) e o Número Serial (64 bits). O MY é o endereço de rede,
variável, e é distribuído automaticamente pelo coordenador assim que o nó entra na rede. Uma analogia interessante é associar o endereço MY com o endereço IP nas redes TCP/IP com DHCP, em que cada máquina recebe um endereço automaticamente. Já o Número Serial é único e invariável para cada dispositivo fabricado (semelhante ao endereço MAC das placas de rede Ethernet). Os módulos XBee podem operar de duas maneiras: no modo Transparente (AT) e no modo API (Application Programming Interface). Os módulos XBee são fabricados em diversas versões, que variam de acordo com o modelo da antena, encapsulamento, frequência de operação e protocolo utilizado. Na Figura abaixo são apresentados os principais modelos.
Figura 10. Principais Modelos de Módulos XBee PRO da Digi International.
Nota-se que há uma grande variedade de opções de mó- dulos XBee disponíveis no mercado, portanto, é interessante considerar alguns aspectos antes da escolha de um modelo:
mente apresentam um custo maior, uma vez que é neces- sário adquirir as antenas ou conectores separadamente.
J. Proto-Bee
O Proto-Bee é um adaptadora para os módulos XBee e XBee-Pro com várias funções como: adaptar um módulo XBee/XBee-Pro numa matriz de contatos (proto-board) ou placa (PCI), regular uma tensão de (5v a 12v) em 3.3v, comunicação dos módulos com uma interface padrão RS232, jumper para Loop Back e facilidades de interconexão dos módulos com um microcontrolador, ou outros componentes numa matriz de contatos. [3]
Figura 11. Placa Proto-Bee real.
K. Acesso Remoto
A Internet permite a utilizadores de computadores a conexão com outros computadores facilmente, mesmo estando em loca- lidades distantes no mundo. Esse acesso remoto pode ser feito de forma segura, com autenticação e criptografia de dados, se necessário. Uma VPN é um exemplo de rede destinada a esse propósito. Isto está encorajando novos meios de se trabalhar de casa, a colaboração e o compartilhamento de informações em muitas empresas. Um contador estando em casa pode auditar os livros-caixa de uma empresa baseada em outro país por meio de um servidor situado num terceiro país, que é mantido por especialistas IT num quarto país. Estas contas poderiam ter sido criadas por guarda-livros que trabalham em casa em outras localidades mais remotas, baseadas em informações coletadas por e-mail de todo o mundo. Alguns desses recursos eram possíveis antes do uso disperso da Internet, mas o custo de linhas arrendadas teria feito muitos deles impraticável. Um executivo fora de seu local de trabalho, talvez no outro lado do mundo numa viagem a negócios ou de férias, pode abrir a sua sessão de desktop remoto em seu computador pessoal, usando uma conexão de Virtual Private Network (VPN) através da
Internet. Isto dá ao usuário um acesso completo a todos os seus dados e arquivos usuais, incluindo o e-mail e outras aplicações. Isso mesmo enquanto está fora de seu local de trabalho. O Virtual Network Computing (VNC) é um protocolo bastante usado por utilizadores domésticos para a realização de acesso remoto de computadores. Com ele é possível utilizar todas as funcionalidades de um computador a partir de outro, através de uma área de trabalho virtual. Toda a interface homem- computador realizada em um computador, como o uso do mouse e do teclado, é refletida no outro computador.
Figura 12. Esquema de um Acesso remoto
Desenvolver um projeto de monitoração remota de dois motores com análise dos seguintes parâmetros: tensão elétrica, corrente elétrica e temperatura dos motores e controle de funcionamento dos mesmos. III. MATERIAIS
Para comunicação entre XBEE e o computador é necessário a inserção do CON-USBBEE no qual se comunica diretamente com o computador que irá receber as leituras de dados, dos sensores e realizar os acionamentos do motor através da interface programada para interagir com o comando de acionamento montado para comutar o motor, e as placas de sensoriamento.
Figura 14. XBEE em conjunto com CON-USBEE para comunicação com computador
A. Comunicação dos sensores e controle do motor
Em cada estação de controle existe um XBEE-PRO anexado a um protobee regulador de tensão para que o mesmo regule a tensão de entrada de 5 V , para a alimentação própria do Xbee de 3 , 3 V. A estação de monitoramento e controle foi programada para se comunicar constantemente com a estação conectada ao computador, trocando informações de leitura de sensores, e recebendo comandos de controle do motor.
Figura 15. Placa de sensoreamento com Xbee.
Para comunicação entre o XBEE da estação de controle foi necessária a configuração do firmware do equipamento
através do software X-CTU, onde foram alterados os seguintes parâmetros do XBEE, conforme a Figura 16.
Figura 16. Comunicação entre placas XBEE
A comunicação acontece de forma FULL-DUPLEX, no qual há uma comunicação assíncrona e constante entres as placas de sensoriamento e a estação de controle.
B. Comunicação Serial entre PIC e Xbee A comunicação serial RS − 232 utiliza uma taxa de comu- nicação (baud rate). Com o baud rate, podemos saber quantos bits podem trafegar pela linha em um intervalo de 1 segundo. Comumente os baud rates são múltiplos de 300 bps (bits por segundo), encontrando desta forma taxas de comunicação como por exemplo 2400 bps, 4800 bps e 9600 bps. Em nosso exemplo, iremos utilizar a taxa de 9600 bps e para acharmos o tempo que 1 bit demora para ser transmitido nesta taxa, basta dividirmos 1 pelo número de bits por segundo. A comunicação do tipo RS − 232 é full-duplex, pois temos uma linha somente de transmissão e outra somente de recepção. Desta forma, enquanto estamos transmitindo um byte pela linha de TX, podemos perfeitamente estar recebendo outro pela linha de RX.
C. Comunicação Assíncrona (UART) Uma comunicação é chamada de serial quando o envio dos códigos dos caracteres se processa sobre uma única linha, onde os bits enviados são encadeados um por vez, e numa fila. Essa comunicação é assíncrona quando não exige o sincronismo dos relógios entre o receptor e o transmissor. Cada caractere carrega seus próprios sinais de sincronismo. Os UARTs são utilizados para comunicar a maiores dis- tâncias e a sua sincronização e feita por software. Devido à sincronização ser feita por software, funcionam com baixa velocidade de comunicação.
VI. FLUXOGRAMA DA ENTRADA DE DADOS
Figura 17. Diagrama da Entrada de Dados
ENVIADOS E RECEBIDOS NO COMPUTADOR Este diagrama simples mostra como ocorre o envio dos dados através de comunicação sem fio. O XBEE BASE pro- gramado através do código presente no diagrama de dados se comunicará com o Computador através do sistema Full Duplex enviando informações e recebendo (Ao mesmo tempo/Em tempo distinto).
Figura 18. Diagrama de comunicação entre os dados
O diagrama de Banco de Dados está relacionado com o os dados enviados pelo primeiro PIC, ou seja, como esses
dados serão decodificados após o envio da informação sem fio. O código de programação irá receber os dados quando houve comunicação entre o PIC 1 e PIC 2 e irá salvar estes dados em um banco de dados específico para cada parâmetro (temperatura, corrente ou tensão).
Figura 19. Diagrama do Banco de Dados.
Foi utilizado o software visual studio na plataforma C para a criação de um programa de monitoramento, controle e registro
Figura 23. Circuito de comando do acionamento do motor monófásico com seis terminais.
Para proteção deste circuito, também estão presentes os fusíveis, assim como o contato normalmente fechado do relé térmico (95-96) o qual possibilitará a interrupção no funcionamento do circuito de comando quando submetido à sobrecarga, dessa forma, nenhuma bobina das contatoras serão energizadas, e consequentemente os motores serão desligados.
relé estará fechado, não permitindo dessa forma a alimentação de nenhuma das bobinas no circuito. XI. ACESSO REMOTO VIA INTERNET O tipo de acesso escolhido foi o de rede VPN, onde um programa será instalado no servidor e no cliente, e através destes programas é possível realizar o acesso aos dados e controle dos motores. O programa utilizado foi o TeamViewer, ele permite que seja criada uma rede entre o cliente e o servidor, e o cliente “veja” a tela do servidor, e controle todas as funções do computador servidor/remoto. O programa TeamViewer servidor deve ficar ativo o tempo todo, ao se iniciar o programa é gerado um ID do computador e uma senha, essas informações devem ser dadas ao cliente que se deseja ter acesso ao computador.
Figura 24. Módulo servidor do controle remoto - Teamviewer
Já o cliente que deseja ter acesso ao servidor deve inserir primeiramente o ID do servidor no programa e clicar em “Conexão ao parceiro”, logo após isso será requisitado a senha e se informada corretamente a tela do servidor será mostrada na tela do cliente e esse poderá acompanhar e controlar os dispositivos que estão disponíveis para o servidor.
Figura 25. Módulo cliente do controle remoto - Teamviewer
A partir da descrição do método, o resultado obtido foi o que segue nas imagens.
Figura 26. Placa principal com o Xbee.
Figura 27. Placa com os relés responsável pelo acionamento.
Figura 28. Circuito de comando e força para acionamento dos motores.
Figura 29. Circuito do sensor de tensão.
Por meio dos testes realizados, foi possível observar a moni- toração e controle à distância de dois motores monofásicos de seis terminais. Os parâmetros a serem monitorados referem- se a corrente elétrica do motor CC, a temperatura e a tensão
Figura 30. Sensor de segurança por perímetro.
Figura 31. Circuito Completo com todos os sensores.
Figura 32. Motor CC usado para medir a corrente.
elétrica aplicada sobre os terminais do motor monofásico CA além de um sensor de presença que desliga o motor caso haja alguém próximo ao mesmo. Basicamente, o projeto consiste em microcontroladores os quais recebem os dados da interface (via acesso remoto) contendo informações para ligar, desligar e reverter a rotação dos motores, dessa forma relés atuarão adequadamente pro- piciando a execução de tais funções nos dispositivos a serem acionados. Os parâmetros serão monitorados pelos sensores de tensão, corrente e temperatura, os quais informam os seus valores aos microcontroladores e estes enviarão os dados por acesso remoto à interface quando solicitados na mesma. Para tanto, o acesso remoto citado refere-se ao controle e monitoração dos motores por computador ou celular, mediante o dispositivo de hardware denominado de XBee, o qual baseia- se no protocolo ZigBee, possibilitando a comunicação via rede WiFi. Ainda, no que se refere a este tipo de acesso remoto, foi possibilitado também via Internet, através de uma rede VPN