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Saber eletrônica 440
Tipologia: Notas de estudo
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I SABER ELETRÔNICA 440 I Setembro 009
índice
01
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06
58
Instituto Monitor .............................................................. 3 Productronica .................................................................... 5 Agilent ................................................................................ 9 Digivoice ............................................................................. 11
Globtek ............................................................................ 19 Honeywell ........................................................................... 44 Tato ..................................................................................... 53 Nova Saber - Livro ........................................................... 54
Nova Saber - Curso Básico de Eletrônica ..................... 57 Cyka ............................................................................. 2ª capa IR .................................................................................. 3ª capa Microchip ..................................................................... 4ª capa
O
mercado de aplicações médicas portáteis está crescendo de forma muito evidente em nosso país. Isso significa que as empre- sas precisam de recursos para entrarem rapidamente neste mercado, atingindo os consumidores que necessitam de dispo- sitivos que sejam os menores possíveis, consumam menos energia e incluam mais recursos, tudo isso a um preço baixo. Para atender essas necessidades, a Texas Instruments lançou um conjunto de ferramentas de desenvolvimento dirigido a aplicações médicas com uma cadeia completa de projetos e software, incluindo eletrocardiógrafos, estetoscópios digitais e oxímetros de pulso. Cada um dos três kits disponíveis (MDKs) é oferecido quando se adquire o módulo Front-End (AFE) com o projeto específico otimizado para cada produto final e mais um módulo de avaliação com o DSP TMS320VC5505. Com informações sobre o hardware e, incluindo esquemas, códigos- fonte, e algoritmos específicos para aplicações médicas além de documentação técnica, cada MDK possibilita uma redução do tempo de desenvolvimento da ordem de 6 a 8 meses. Ademais, cada MDK fornece uma grande plataforma de avaliação para ajudar o desenvolvedor a poder focar diferenciações do produto tais como o desenvolvimento de algoritmos e a melhoria de recursos. Possibilita também a redução das barreiras que os desenvolvedores novatos encontram quando desejam entrar na indústria médica rapidamente. Na figura 1 temos a estrutura do módulo de avaliação com as placas de aplicações específicas.
Soluções Médicas
baseadas no C
Na parte esquerda do diagrama da figura 1 vemos os três blocos que cor- respondem aos kits de desenvolvimento para aplicações médicas. Através de interfaces com conectores, os usuários obtêm o máximo de flexibilidade para o desenvolvimento de seus projetos. Os pro- jetos MDK possibilitam alcançar grande durabilidade para a bateria graças ao seu baixo consumo. Os principais benefícios no uso deste kit de desenvolvimento são: Grande durabilidade para a bateria pelo emprego de componentes de baixo consumo como o TMS- 329VC5505 e conversores A/D e D/A, além de outros circuitos analógicos. Aumento da funcionalidade para o usuário com a opção de mos- trador LCD ou PC, autogravação e autorreprodução, transferência de dados por porta USB 2.0 de alta velocidade e outras opções de conectividade.
Saída ECG de 12 terminais, usando entrada de 10 eletrodos; Largura de faixa de 0,05 Hz a 150 Hz; Detecção de terminais desconec- tados; Display ECG para forma de onda em tempo real; Proteção por desfibrilador;
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Eletrônica Aplicada Médica
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tecnologias
ADXRS ADXRS ADXRS ADXRS
ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL ADXL
SPEED INPUT
SYSTEM MICROCONTROLLER
STEERING ANGLE INPUT
CAN BUS
LONGITUDINAL AND LATERAL G-FORCE SENSORS
VERTICAL G-FORCE SENSOR
YAW SENSE
ROLL SENSE
Controle Eletrônico de
estabilidade automotiva
ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC7032-8L ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC
ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC ADUC
E
ste diagrama de blocos apresenta uma solução da Analog Devices para um sistema de controle eletrônico de estabilidade para automóveis. O sistema possui como centro de controle um microcontrolador que recebe as informações externas e internas do veí- culo, analisando e executando as devidas providências para deixá-lo o mais estável possível e seus ocupantes com mais con- forto, amenizando os solavancos. Neste esquema é possível ver que o microcontrolador recebe como informações a velocidade do veículo, a força G sofrida pelo movimento lateral (curvas), movimento (frente e ré) e vertical (lombadas e obstá- culos), ângulo que o volante se encontra, o ângulo que o veículo se encontra (ladeiras), como também o ângulo de enclinação na aceleração. Com todas estas informações é possível ajustar a velocidade do veículo, a suspenão ou até mesmo frear o veículo para ajuste de posição. Tanto os sensores de força G como os sensores de ângulo devem ser corretamente aplicados, levando em conta a massa e ponto de equilíbrio do automóvel.
Setembro 2009 I SABER ELETRÔNICA 440 I 17
tecnologias
TRANSCEIVER LDO
COMPARATOR
8/16-bit PIC MICROCONTROLLER 16-bit dsPIC DSC
MOSFET driver (^) MOSFET
TEMPERATURE SENSOR
MOTOR
CAN / LIN BUS
FEEDBACK
TC6501/2/3/4, MCP9700/1/A, TC1027, TC1037/8/9,MCP6541/2/3/4/6/7/8/9 MCP9800/1/2/3/5, TC72/4/5/
TC4420/1/2/3/4/5/6/7/8/9/A, TC1410/1/2/3, TC4451/2, TC4467/8/
MCP1700/1/
MCP2515, MCP2551X, MCP
PIC12, PIC16, PIC18, PIC24, dsPIC30, dsPIC
Controle de motor DC
com aplicações automotivas
A
presentamos aqui uma solução desenvolvida pela Mi- crochip para controle de motor DC, destinada a diversas aplicações automobilísticas, tais como direção elétrica, elétro-hidraulica, bombas de água, óleo e combustível, trio elétrico, aerofólio inteligente, retrovisores e limpador de para- brisa. Além dos esquemas de representação, mostramos também os componentes sugeridos para esta aplicação.
Setembro 2009 I SABER ELETRÔNICA 440 I 19
como rede elétrica, iluminação pública e distribuição de água, sensores sem fios oferecem um método de baixo custo para coletar dados sobre a saúde do sistema, reduzir o consumo de energia e melhorar o gerenciamento de recursos. No monitoramento de saúde de estru- turas, você pode utilizar sensores sem fios para monitorar efetivamente rodovias, pontes e túneis. Você também pode im- plantar esses sistemas para monitorar con- tinuamente edifícios comerciais, hospitais, aeroportos, fábricas, usinas de energia e instalações de produção. Veja a figura 1.
Em uma arquitetura WSN comum, os nós de medição são implantados para adquirir medidas como a de tempera- tura, de tensão ou mesmo de oxigênio dissolvido. Os nós são parte de uma rede sem fios administrada pelo gateway, que governa aspectos da rede como autenti- cação de cliente e segurança de dados. O gateway coleta os dados medidos em cada nó e os envia através de uma cone- xão cabeada, tipicamente Ethernet, para uma controladora host. Nesta controla- dora, um software como a plataforma de programação gráfica NI LabVIEW pode fornecer processamentos e análises avançadas e apresentar seus dados em um estilo que atenda suas necessidades. Observe a figura 2.
Um nó de medição WSN contém vários componentes incluindo o rádio, a bateria, o microcontrolador, o circuito analógico, e a interface com o sensor. Em sistemas energizados por bateria, você deve checar constantemente a condição das mesmas e substituí-las quando ne- cessário, pois maiores taxas de dados e uma utilização mais frequente do rádio consome mais energia. Atualmente, ba- terias e tecnologias de gestão de energia evoluem continuamente devido à extensa pesquisa. Em aplicações WSN é comum a necessidade de três anos de vida das ba- terias, portanto, muitos destes sistemas hoje são baseados em protocolos ZigBee ou IEEE 802.15.4 devido ao seu baixo consumo de energia. O protocolo IEEE 802.15.4 define as camadas de controle de acesso médio e físico no modelo de rede, fornecendo comunicação nas bandas 868 a 915 MHz e 2,4 GHz ISM, além de taxa de dados de até 250 kb/s. O ZigBee é projetado para atuar sobre as camadas do 802.15.4 para fornecer segurança, confiabilidade através de topologias de rede em malha, e intero- perabilidade com outros dispositivos e padrões. Ele também permite aplicação de objetos definidos pelo usuário, ou perfis, que fornecem personalização e flexibilidade com o protocolo.
F2. Arquitetura de uma Rede de Sensores sem Fios comum
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Sensores
Além dos requisitos de vida longa, você deve considerar o tamanho, o peso, e a disponibilidade das baterias, bem como as normas internacionais para seu embarque. O baixo custo e grande disponibilidade das baterias alcalinas e de zinco-carbono fazem delas uma escolha comum. Técnicas de coleta de energia também estão se tornando mais comuns em redes de sensores sem fios. Com dispositivos que empregam células solares ou coletam calor de seu ambiente, você pode reduzir ou mesmo eliminar a necessidade de fornecimento de energia através de baterias.
Para prolongar a vida das baterias, um nó WSN acorda periodicamente para adquirir e transmitir dados ligan- do o rádio e depois desligando-o para conservar energia. O rádio WSN deve transmitir de maneira eficiente um sinal e permitir que o sistema volte a dormir, realizando isso com um mínimo con- sumo de potência. Do mesmo modo, o processador também deve ser capaz de acordar, energizar-se e voltar a dormir de modo eficiente. As tendências de tecnologias de mi- croprocessadores para WSNs incluem redução do consumo de energia enquan- to mantêm ou aumentam a velocidade do processador. Tal qual a escolha do rádio, trade off de consumo de energia e velocidade de processamento são preocupações fundamentais na seleção de um processador para WSNs. Isto faz com que arquiteturas PowerPC e base- adas em ARM sejam uma opção não indicada para dispositivos alimentados por baterias. Uma opção mais comum de arquitetura inclui o TI MSP430 MCU, que foi projetado para operação de baixa potência. Dependendo do processador específi- co, o consumo de energia no sleep mode pode variar de 1 a 50 μW, enquanto que operando o consumo pode variar de 8 a 500 mW.
É possível utilizar várias topologias de rede para coordenar o gateway WSN, os nós finais e os nós roteadores. Os nós roteadores são similares aos nós finais,
uma vez que podem adquirir dados de medição, mas você também pode usá-los para transmitir dados medidos ao longo de outros nós. A primeira e mais básica topologia é a estrela ( star ), na qual cada nó mantém uma única via de comunica- ção direta com o gateway. Esta topologia é simples, mas restringe a distância total que sua rede pode alcançar. Para aumentar a distância que uma rede pode alcançar, você pode imple- mentar uma topologia cluster , ou árvore. Nesta arquitetura mais complexa, cada nó mantém um único caminho para o gateway, mas pode utilizar outros nós para rotear os dados ao longo desse caminho. Entretanto, esta topologia apresenta uma desvantagem: se um nó roteador perder a comunicação, todos os nós que dependem dele perdem sua via de comunicação com o gateway. A topologia rede de malha remedia este problema utilizando vias de comu- nicação redundantes para aumentar a confiabilidade do sistema. Em uma rede de malha, os nós mantêm múltiplas vias de comunicação com o gateway, de modo que, se um nó roteador perder a comunicação, a rede automaticamente redirecionará os dados por um caminho diferente. A topologia de malha, embora muito confiável, sofre de um aumento na latência da rede, pois os dados devem fazer múltiplos saltos antes de chegarem ao gateway. Acompanhe na figura 3.
Com a plataforma WSN da National Instruments, você pode personalizar e melhorar uma típica arquitetura WSN para criar um completo sistema de medição, cabeado e sem fios para sua aplicação. A in- tegração do software da NI fornece a flexi- bilidade para escolher um controlador host baseado em Windows para seu sistema WSN, ou um controlador host de tempo real como o NI CompactRIO, dando-lhe a possibilidade de integrar E/S reconfigurá- veis com suas medições sem fios. Com ambos os controladores host, você pode utilizar o LabVIEW e o software NI-WSN com integração ao projeto no LabVIEW e programação clique e arraste para facilmente configurar seu sistema WSN, de modo a extrair dados de alta qualidade de suas medições, fornecer análises e apresentar seus dados. Além disso, a integração com Lab- VIEW oferece a possibilidade de ampliar a conectividade de sua aplicação WSN e o nível de dados por todo caminho através da internet para o cliente final, como um iPhone ou um laptop. Você pode usar esta arquitetura de sistema completa para adquirir dados de praticamente qualquer lugar com uma rede de sensores sem fios da NI, processá-los e armazená-los em um servidor, e depois acessar os dados conve- nientemente e remotamente a partir de um dispositivo inteligente sem fios.
F3. Topologias de rede WSN.
E
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Projetos
O
principal problema encontra- do no desenvolvimento nos veículo de tração elétrica é a bateria, por ser especial e possuir custo elevado. Algumas baterias utilizadas em equipamentos eletroele- trônicos também estão sendo fabricadas para equipamentos que necessitam de maior potência. Essas baterias como as de níquel cádmio (NiCd), híbridas de metal níquel (NiMH) e as de íon de lítio (Li-ion) têm peso reduzido, porém seu uso em veículos elétricos, devido ao custo, muitas vezes é inviável. Outras alternativas estão sendo es- tudadas, mas apresentam ainda limi- tações para veículos elétricos. Dentre elas estão as células de combustível e os ultracapacitores. Diante das opções de mercado, utilizou-se uma bateria de chumbo ácido, do tipo tracionária, em um veículo elétrico tipo Mini Baja. Este tipo de bateria possui células de baixa tensão, porém com elevada capacidade de corrente. Esta característica levou a se especificar um motor de indução com especificações que permitiram o emprego de um número reduzido de células, com consequente redução de volume e peso, entretanto, com autonomia compatível com as necessidades. Por volta do ano de 1900, os veículos elétricos (VE) nas cidades americanas eram mais comuns do que os a gasolina,
Especificação de Baterias
para Veículos Elétricos
segundo (GOLDEMBERG; LEBENSZTA- JN; PELLINI, 2005). Naquele foram produzidos 1575 automóveis elétricos contra apenas 936 carros a gasolina. Ainda segundo (PERES, 2000), em 1899, foi criado pelo engenheiro belga Camille Jenatzy, um veículo elétrico de nome “Ja- mais Contente”, que alcançou a incrível velocidade de 100 km/h. Vale mencionar que em 1918, na cidade do Rio de Janeiro foi inaugurada a linha de ônibus elétri- cos, pela antiga Light and Power Co. Ltd. entre a Praça Mauá e o então existente Palácio Monroe, na outra extremidade da Avenida Rio Branco. Jornais da época, conforme (PERES, 2000), referiam-se a esta novidade como “confortáveis ônibus de tração elétrica, movidos a bateria, com rodas de borracha maciça, sem barulho, vibração, fumaça e os inconvenientes da gasolina”. Um dos fabricantes de prestígio da época, segundo (GOLDEMBERG; LE- BENSZTAJN; PELLINI, 2005), afirmou que “a eletricidade preenche melhor os requisitos de um sistema de tração do que as máquinas a vapor, ou mesmo os motores a explosão”. Em 1899 a revista Scientific American já apresentou que: “a eletricidade é ideal para veículos, pois ela elimina os dispositivos complicados associados aos motores movidos a gaso- lina, vapor e ar comprimido, evitando o ruído, vibração e calor associados”.
Como na época, nos veículos a com- bustão era preciso usar a manivela de arranque, além de manipular um sistema de marchas, preferia-se usar veículos elétricos. Um fator importante para o surgi- mento dos VEs foi a implementação dos bondes elétricos, que substituíram as carroças e os bondes com cavalos. Outro fator foi o surgimento do sistema ferroviário elétrico utilizado na Europa. Entretanto, por volta de 1905 os auto- móveis a gasolina começaram a tomar a dianteira em termos de popularidade. A autonomia de cerca de 100 km é mais que o dobro da autonomia de um carro elétrico, aproximadamente 50 km. O investimento inicial, assim como o custo operacional dos automóveis elétricos, eram maiores que os movidos à gaso- lina. Os números disponíveis apontam como indicativo que, em 1900, os carros à gasolina custavam entre US$1000 e US$2000, enquanto que um carro elétri- co valia de US$1250 a US$3500. O custo operacional de um carro a gasolina era de U$0.01/milha passando para US$0. a 0.03/milha para um carro elétrico. Em 1901 foram descobertos no Texas gran- des campos de petróleo, fazendo cair os custos do mesmo. Entre 1906 e 1910 tornou-se evidente que o carro elétrico tinha um desempenho inferior.
Setembro 2009 I SABER ELETRÔNICA 440 I 31
F1. Formato de ondas PWM.
Existem diversas vantagens que devem ser observadas pelo projetista, a fim de tirar o máximo proveito delas. Na condição onde o pulso estiver no ní- vel lógico 0 (0 V), nenhuma corrente circula pelo dispositivo e, portanto, a sua dissipação é nula. Na condição onde o pulso estiver no nível lógico 1 (5 V) não existirá nenhuma queda de tensão e, consequentemente, a dissipação também será nula. Ou seja, na teoria, os controles PWM não dissipam potência alguma, logo, con- sistem em soluções ideais para este tipo de aplicação.
Em nossa montagem utilizaremos um microcontrolador da família Microchip extremamente popular: o PIC 16F628A. Entre outras características, este micro- controlador apresenta: Opera em uma frequência de 37 kHz a 4 MHz (utilizando oscilador interno) e até 20 MHz com a utili- zação de cristais ou ressonadores cerâmicos; Possui diversas interrupções; A memória de programa pode ar- mazenar até 2048 “words”; Possui EEPROM interna de 128 bytes; É dotado de 16 pinos de I/O;
Permite fornecer até 25 mA por pino; Possui canal de PWM interno (por hardware) de 10 bits; USART; 2 comparadores analógicos; Dois timers de 8 bits; Um timer de 16 bits; Permite operar com uma alimentação de 2.0 V a 5.0 V. É importante salientar que este com- ponente precisa ser programado (gravado) para poder desempenhar as funções que desejarmos. Não faz parte deste artigo as etapas indispensáveis para a programação do microcontrolador por entendermos que o leitor já possui as habilidades necessárias para desempenhar a gravação do mesmo.
Na figura 2 o leitor pode ver o circuito elétrico do Controlador PWM para LEDs RGB. CI 1 é o microcontrolador PIC 16F328A. Ele realiza todo o controle e sua operação depende de um programa interno que será abordado mais adiante, neste artigo. CI 2 é um regulador de tensão de 5 VDC para o CI 1. Esta é a alimentação padrão para o PIC 16F628A. Os capacitores C 1 , C 2 , C 3 e C 4 fazem parte do filtro da alimentação. As chaves CH 1 , CH 2 , CH 3 , CH 4 , CH 5 e CH 6 são chaves que serão adicionadas
externamente à placa, e devem ser do tipo “push button” NA (Normalmente Aberto), podendo ser de qualquer tipo e tamanho, uma vez que a inserção das mesmas se dará por barra de pinos que serão soldadas na placa de circuito impresso. Todos os resistores são de ¼ de watt (0,25 W) com tolerância de 5%. O oscilador utilizado é um ressonador cerâmico de 8 MHz. O diodo D 1 é um diodo de uso geral, o nosso velho conhecido 1N4148. O conector X 2 é um conector padrão de alimentação para inserção em placas de circuito impresso.
O LED utilizado é um LED RGB de 4 terminais, sendo um o catodo comum e outros três terminais para controle inde- pendente para o vermelho, verde e azul, conforme ilustrado na figura 3. Nessa figura, podemos reparar que o LED RGB possui quatro terminais assimétri- cos (tamanhos diferentes). Se colocarmos em ordem decrescente (do maior para o menor), teremos que o terminal mais comprido é o que deve ser ligado no terra do circuito ( V). Em seguida, teremos o terminal para o anodo do verde (em inglês “green”), sendo seguido pelo terminal responsável pelo ano- do do azul (do inglês “blue”) e o último, que é o mais curto e aquele do lado do chanfro do LED, teremos o terminal do anodo do vermelho (“red” em inglês). As principais características deste LED podem ser verificadas na Tabela 1.
Na figura 4 demonstramos o layout sugerido para a confecção da placa de circuito impresso. É recomendável o uso de um soquete para o microcontrolador, uma vez que po- deremos desejar retirá-lo do circuito para efetuar alterações no software embarcado no mesmo. Comece soldando pelos componentes menores para facilitar. É sempre mais complicado tentar posicionar e soldar um resistor se já tivermos colocado o soquete do microcontrolador, ou mesmo o regulador de voltagem. Tome cautela, porque alguns compo- nentes possuem polaridade, o que é o caso dos capacitores eletrolíticos, o regulador de voltagem, o diodo, o LED e o próprio
32 I SABER ELETRÔNICA 440 I Setembro 2009
Projetos
microcontrolador. A não observação do correto posicionamento dos mesmos pode fazer com que o circuito não funcione a até mesmo danificar os componentes de uma forma irreversível. Então, inicie soldando o diodo, tomando cuidado para não ficar muito tempo com o ferro de solda encostado no terminal, pois, assim como qualquer semicondutor, este componente é sensível ao calor.
Em seguida, passe para os resistores, o regulador de voltagem, os capacitores cerâmicos, os capacitores eletrolíticos, o soquete para o microcontrolador e, por último os terminais para os botões “push- button”. Sempre que possível, acondicione os seus circuitos em um gabinete plástico para prevenir riscos de curto-circuito e garantir uma maior resistência mecânica.
O nosso programa parte de um processo extremamente simples, que poderá ser uti- lizado como base em outras montagens, por isso, encorajamos ao leitor que experimente diversas alternativas baseadas no código que explicaremos. Como visto anteriormente, para termos um sinal em PWM, precisamos de dois ele- mentos fundamentais: pulsos de frequência
F2. O diagrama esquemático.
F3. O LED RGB de quatro terminais.
T1. Características Opto- elétricas do LED RGB.