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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET Engenharia da Computação
Judy Lorena Huertas Naranjo
Monitoramento e Controle das Forças Atuantes num Corpo em Movimento Circular
Curitiba 2006
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Centro Universitário Positivo - UnicenP Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET Engenharia da Computação
Judy Lorena Huertas Naranjo
Monitoramento e Controle das Forças Atuantes num Corpo em Movimento Circular
Monografia apresentada à disciplina de
Projeto Final, como requisito parcial à conclusão do Curso de Engenharia da Computação. Orientador: Prof. José Carlos da Cunha
Curitiba 2006
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SUMARIO
LISTA DE FIGURAS..................................................................................................... 5 Lista de tabelas ............................................................................................................... 6 Lista de siglas ................................................................................................................. 6 Lista de símbolos............................................................................................................ 6 Resumo: ......................................................................................................................... 7 Abstract .......................................................................................................................... 8 1. MOTIVAÇÃO............................................................................................................ 9 2. DESCRIÇÃO DO PROJETO ....................................................................................10 3 REVISÃO BIBLIOGRAFICA....................................................................................11
3.1 movimento circular ..............................................................................................11 3.1.1. Freqüência e Período ....................................................................................15 3.1.2 Relação entre a velocidade angular e a freqüência .........................................15
3.2 Motores de indução..............................................................................................16 3.2.1 Controle de velocidade ..................................................................................18
3.3 Transmissão de dados via infravermelho ..............................................................20 3.4 Transdutores e interfaces.....................................................................................21
3.4.2 Características dos Transdutores...................................................................21 4 ESPECIFICAÇOES DO HARDWARE......................................................................24
4.1 Funções do sistema ..............................................................................................25 4.2 Requisitos de Hardware ......................................................................................26
4.2.2 Módulo de aquisição de dados dos sensores...................................................26 4.2.2.1 Transdutores:..............................................................................................27 4.2.2.1.1 Sensor optoacoplador ..............................................................................27 4.2.3 Módulo de aquisição de dados via infravermelho .........................................28 4.2.4 Módulo de controle de velocidade do motor CA...........................................28 4.2.5 Módulo de conversão AD..............................................................................30 4.2.6 Amplificadores Operacionais ........................................................................31
5 ESPECIFICAÇÕES DO SOFTWARE .......................................................................32 5.1 Ferramentas de desenvolvimento e linguagem de programação ............................32 5.2 Software do sistema .............................................................................................32
6 PREVISÃO DE CUSTOS ..........................................................................................33 7 CRONOGRAMA DO PROJETO ...............................................................................34 8 PROJETO DO HARDWARE....................................................................................36
8.1 Circuito de alimentação........................................................................................36 8.2 Controle da velocidade.........................................................................................37 8.3 Módulo dos sensores...........................................................................................37
8.3.1 Ângulo e velocidade.....................................................................................37 8.3.2 Sensores de deformação ................................................................................38
8.4 Microcontrolador .................................................................................................41 8.5 Transmissão de infravermelho..............................................................................43
9 PROJETO DO SOFTWARE ......................................................................................45 9.1.1 Fluxograma do firmware ...............................................................................46
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9.1.2 Diagrama de estados......................................................................................47 9.2 Software de analise .............................................................................................47 9.3 Descrição do processo de software ......................................................................50
9.3.1 Rotina do microcontrolador...........................................................................50 9.4 Transmissão do infravermelho ............................................................................51
9.4.1 Fluxograma da transmissão ...........................................................................51 10 RESULTADOS E CONCLUSÕES..........................................................................53
10.1 Velocidade .........................................................................................................53 10.2 Ângulo:..............................................................................................................54 10.3 Força..................................................................................................................56 10.4 Transmissão infravermelho ................................................................................57
11 VALIDAÇÃO ..........................................................................................................59 13 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS......................................................................60 14 ARTIGO TECNICO................................................................................................61 15 MANUAIS ..............................................................................................................64
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LISTA DE FIGURAS Figura 1- Diagrama geral do projeto ..............................................................................10 Figura 2- Vetores força centrípeta e aceleração centrípeta ..............................................11 Figura 3- Ângulos dos vértices da aceleração tangencial ................................................12 Figura 4- Variação da velocidade por variação de tensão ...............................................19 Figure 5- Motores serie universal...................................................................................25 Figura 6- Optoacoplador óptico .....................................................................................27 Figura 7- Strain gauge ...................................................................................................28 Figura 8- Esquemático controle .....................................................................................29 Figura 9- Tensão de saída e corrente de carga do controlador de tensão CA...................29 Figura 10- Função de um conversor A/D .......................................................................30 Figura 11- Amplificador Operacional 741......................................................................31 Figura 12- Módulo regulador de tensão para 5V ............................................................36 Figura 13- circuito regulador de potencia.......................................................................37 Figura 14- Optoacoplador para medição do ângulo ........................................................38 Figura 15- Partes do string gauge...................................................................................39 Figura 16- Esquemático da Ponte de Wheatstone usada para testes ................................40 Figura 17- Localização dos sensores na haste.................................................................41 Figura 18- Descrição dos pinos do PIC ..........................................................................42 Figura 19- Transmissor infravermelho na sua posição final............................................42 Figura 20- Circuito oscilador de 4Mh o PIC16F876A ....................................................43 Figura 21- conversor de sinais RS232/TTL para comunicação serial entre a placa
controladora e o computador ..................................................................................44 Figura 22- alinhamento do receptor com o transmissor de infravermelho .......................45 Figura 22- Fluxograma do firmware ..............................................................................46 Figura 23- Diagrama de estados do Firmware ................................................................47 Figura 24- diagrama de caso de uso do software analisador............................................49 Figura 25- Fluxograma Microcontrolador ......................................................................50 Figura 26- Fluxograma do Infravermelho.......................................................................52 Figura 27- Valor Maximo em rotações por minuto obtido por um tacômetro..................53 Figura 28- Ângulos apresentados no software 0°-15°- 30°- 45°- 60°-75°- 90°................56 Figura 29- posicionamento do transmissor e o receptor para uma melhor comunicação..58
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Lista de tabelas Tabela 1 - valores medidos e valores calculados da velocidade...........................54 Tabela 2 - valores do ângulo pelo sensor e calculado pelo software....................55 Tabela 3 - Resultados calculados da força centrípeta ............................................57
Lista de siglas Amp.OP.- Amplificador Operacional; A/D – Analógico Digital; PC – Personal Computer, Computador Pessoal;
Lista de símbolos ΩΩΩΩ - ohm; bps - bits por segundo; Bytes - 8 bits; Hz – Hertz; mA - 10-3 Amperes; V – Volts; G – Ganho; mA- mili Ampere; mV – mili Volt; Vcc – Tensão de Alimentação; MRUV - movimento uniformemente variado
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Monitoramento e Controle das Forças Atuantes um Corpo em Movimento Circular
Resumo:
O progresso da ciência e da tecnologia, nos últimos anos, está exigindo
cada vez mais um estudo aprofundado, suporte em bases claras,
desenvolvimento e aplicação de processos científicos e tecnológicos a todo
momento. A Física é a base de todas as ciências naturais [1], o que permite a
um estudante que possui sólidos conhecimentos das suas leis, a interpretação
precisa de fenômenos científicos. Com esta motivação este projeto pretende
explorar a compreensão das leis que estão envolvidas em movimentos de
rotação para que estes conceitos sejam fixados com maior clareza pelo
estudante. O projeto consiste no desenvolvimento de um kit didático para
avaliação de experimentos em física relacionados ao movimento rotacional e às
demais forças atuantes num corpo. O sistema proposto deverá contemplar uma
interface gráfica que permitirá, a partir de sensores de inclinação, velocidade e
força, dentre outros componentes, a interpretação e a análise do experimento.
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Abstract
Science and the technology progress, in the last years, is demanding each
time more deepened study, support in clear bases and the development and
application of scientific and technological processes in every moment. The
Physics is the base of all natural sciences [1], allowing a student who possess
solids knowledge of its laws, the necessary interpretation of scientific
phenomena. With this motivation this project intends to explore the
understanding of the laws that are involved in rotation movements so that these
concepts can be fixed with bigger clarity for the student. The project consists of
the development of a didactic kit for evaluation of experiments in physics related
to the rotational movement and other operating forces in a body. The considered
system should contemplate a graphical interface that will allow, from sensors of
inclination, speed and force, amongst others, the interpretation and the analysis
of the experiment.
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1. MOTIVAÇÃO
Um bom experimento de laboratório deve mostrar idéias teóricas, refletir
importantes problemas do mundo real, dar ajuda visual, ter um adequado tempo
de escala e experimentação, ser seguro, fácil de entender e utilizar. A área de
controle de processos na física, por ser uma área fundamentada em abordagens
teórico/práticas deve utilizar estes princípios em larga escala. Exercícios de
laboratório de física sobre o movimento circular fazem uso de sistemas de
controle assistido por computador com limitada experimentação.
Adicionalmente, a aquisição de kits físicos para propósito do ensino deste
tipo de movimentos na prática é difícil já que soluções comerciais superam as
possibilidades econômicas de muitas instituições. Portanto, a única possibilidade
de obter os objetivos do ensino prático é desenvolver um equipamento para
atividade de laboratório, que dê ao aluno uma visão geral e clara dos conceitos
que envolvem o ensino do movimento circular. Este projeto vem ajudar a dar
direções de como educadores, na área de controle de processos físicos, podem
enriquecer seus conteúdos teóricos, através de experiências práticas em
laboratórios, com pouco suporte financeiro, utilizando um sistema que mostrará
de forma visual as forças atuantes num corpo em movimento circular, com as
aulas práticas irão melhorar ao máximo os conceitos da teoria à prática.
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2. DESCRIÇÃO DO PROJETO
Com este projeto pretende-se determinar a força centrípeta necessária
para manter uma massa em movimento circular e estudar a variação desta força
com alguns fatores relevantes dos quais a força depende. A execução
experimental deste trabalho baseia-se na utilização de uma plataforma de
rotação que a partir de sensores de inclinação, velocidade, força e outros
componentes, fará a analise dos dados. Estes sinais serão capturados por um
módulo de aquisição e condicionamento, e logo transmitidos via infravermelho.
O processamento das informações e controle dos dispositivos externos, serão
tratados na forma digital para que seja possível a analise dos mesmos num
computador, por meio de um software de controle. O diagrama em blocos a
seguir (figura 1), apresenta cada uma das interfases a ser desenvolvida no
projeto.
Figura 1- Diagrama geral do projeto
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3 REVISÃO BIBLIOGRAFICA
3.1 movimento circular
Um corpo descreve um movimento circular uniforme, ao variar a sua
velocidade de rotação e a distância ao eixo de rotação, medindo-se a força
centrífuga em função destes dois parâmetros [1].
Esta situação acontece quando um corpo está em movimento em uma
trajetória circular como é apresentado na figura 2.
Figura 2- Vetores força centrípeta e aceleração centrípeta
A 1ª lei de Newton estabelece que um corpo, uma vez em movimento, só
altera as características desse movimento se sobre ele agir uma força externa
[1]. A 2ª lei, por sua vez, estabelece que a variação da velocidade em grandeza
e/ou direção (aceleração) é proporcional e tem a mesma direção da força
aplicada, sendo a massa do corpo a constante de proporcionalidade conforme a
equação 3.1.1 [1]:
*f m a= Eq.(3.1.1)
Esta força, denominada força centrípeta, atua na direção do raio da
circunferência, buscando o centro, imprimindo ao corpo uma aceleração na
mesma direção e no mesmo sentido, denominada aceleração centrípeta. Esta
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aceleração é devida à variação da direção do vetor velocidade e não da variação
do módulo do vetor velocidade.
Para quantificar esta força, considere um objeto de massa M, com uma
velocidade linear v, e uma trajetória circular de raio R. O objeto encontra-se,
portanto, em movimento cuja aceleração, dirigindo-se para o centro da trajetória
circular, é mostrado na equação 3.1.2.
2vac
r= Eq. (3.1.2)
Figura 3- Ângulos dos vértices da aceleração tangencial
Na figura 3, os triângulos POQ e ACB são semelhantes porque são
isósceles, tendo os ângulos dos vértices iguais [5]. Considerando a medida do
arco V t aproximadamente igual à medida do arco corda AB, obtemos:
v t R
v v
∆ =
Eq (3.1.3)
.
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Aproximadamente, temos:
2v v
t R
∆=
∆ Eq (3.1.4)
Esta relação será mais exata quanto menor for t, porque o arco tende
para a corda e vice-versa.
Considerando t 0, no limite obtemos o módulo do vetor aceleração centrípeta
2v
acR
= Eq. (3.1.5)
Entretanto, quando a velocidade escalar varia no decorrer do tempo,
como é o caso deste projeto, o movimento circular não é mais uniforme e o
movimento tem, além da aceleração centrípeta, uma aceleração tangencial [6].
O deslocamento angular (indicado por ϕ ) se define de modo similar ao
deslocamento linear. Porém, ao invés de considerarmos um vetor deslocamento,
consideramos um ângulo de deslocamento. Há um ângulo de referência,
adotado de acordo com o problema. O deslocamento angular não precisa se
limitar a uma medida de circunferência (2π ); para quantificar as outras
propriedades do movimento circular, será preciso muitas vezes um dado sobre o
deslocamento completo do corpo, independentemente de quantas vezes ele deu
voltas em uma circunferência. Se for expresso em radianos, temos a relação.
SR =∗ϕ Eq (3.1.6)
Onde R é o raio da circunferência e S é o deslocamento linear.
Pegue-se a velocidade angular (indicada por ω), por exemplo, que é a
derivada do deslocamento angular pelo intervalo de tempo que dura esse
deslocamento:
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τϕ
ϖ∆∆
= Eq. (3.1.7)
A unidade é o radiano por segundo. Novamente há uma relação entre
propriedades lineares e angulares:
R∗=ϖν Eq. (3.1.8)
Onde ν é a velocidade linear.
Por fim a aceleração angular (indicada por γ ), somente no MRUV, é
definida como a derivada da velocidade angular pelo intervalo de tempo em que
a velocidade varia:
τϖ
γ∆∆
= Eq. (3.1.9)
A unidade é o radiano por segundo por segundo, ou radiano por segundo ao
quadrado. A aceleração angular guarda relação somente com a aceleração
tangencial α e não com a aceleração centrípeta:
αγ =∗ R Eq. (3.1.10) Onde é a aceleração tangencial.
É possível obter a velocidade angular a qualquer instante , no movimento
circular com velocidade variada, a partir da equação 3.1.11:
ϕγϖϖ ο ∆+= *222 Eq. (3.1.11)
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3.1.1. Freqüência e Período
Freqüência seria o número de vezes que um fenômeno se repete em um
determinado tempo, e período é o tempo que leva para o fenômeno se repetir.
Em linguagem mais específica para o movimento circular, definiremos:
Freqüência: é o número de voltas que um objeto dá por unidade de tempo
Notação: f freqüência
Período: é o tempo que o objeto leva para dar uma volta completa
Notação: T período
Pelas próprias definições temos que a freqüência é o inverso do período e vice-
versa, ou seja:
1f
t= ou
1T
f= Eq. (3.1.12)
3.1.2 Relação entre a velocidade angular e a freqüência Pelas equações acima sabemos que a velocidade angular é definida
como sendo:
τθ
ϖ∆∆
= Eq. (3.1.13)
Quando a partícula dá uma volta completa:
radπθ 2=∆ )(periodoΤ=∆τ
Substituindo em (3.1.13) obtemos
T
πϖ
2= Eq. (3.1.14)
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Como 1
ft
= , substituindo em (3.1.14):
f∗= πϖ 2 Eq. (3.1.15)
que é a relação entre a velocidade angular e a freqüência , deste modo, a
intensidade da força centrípeta exercida sobre o objeto é dada por:
2Mv
fcR
= Eq. (3.1.16)
Se o corpo dá uma volta completa em T segundos (período do movimento), a
velocidade angular e linear é dada, respectivamente, por:
T
πϖ
2= e R∗=ϖν Eq. (3.1.17)
Ao revisar a equação (3.1.16) pode-se observar que a força centrípeta
Fc é diretamente proporcional ou quadrado da velocidade do objeto em
movimento. Isto significa que para aumentar a velocidade ao dobro de seu valor
original, se requer uma força 4 vezes maior que a força inicial. De maneira
similar pode-se observar que para duplicar a massa do objeto ou reduzir o raio
de giro pela metade, requeresse de uma força centrípeta duas vezes maior que
a original. Então:
2 2
2
4Mv MRfc
R T
π= = Eq. (3.1.18)
Utilizando um dispositivo de rotação e o procedimento adequado, é possível
verificar a relação (3.1.18) para objetos de massas diferentes, variando o raio
das suas trajetórias e o período dos seus movimentos.
3.2 Motores de indução
O Motor elétrico de corrente alternada (CA), é um equipamento rotativo
que funciona a partir de energia elétrica. Diferente de outros motores elétricos, o
motor CA não precisa, necessariamente, qualquer entreposto dele à
alimentação e serve, basicamente, para "girar" um segundo acoplado, ou
movido.
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Estes motores podem ser divididos, num primeiro momento, em
síncronos e assíncronos, sendo que, este último, sofre escorregamento
conforme a intensidade de carga (oscila a rotação), contudo, são a esmagadora
maioria nas indústrias.
Uma outra grande divisão dentre os motores CA, são trifásicos e
monofásicos. Os motores CA têm outras divisões todas elas mundialmente
normalizadas, entre as mais comuns temos: motor de dupla polaridade, o qual
pode rodar em duas velocidades diferentes em detrimento da potência, motor de
eixo-duplo, com uma saída para cada lado[2].
O motor CA funciona normalmente com velocidade constante, que varia
ligeiramente com a carga mecânica aplicada ao eixo. Devido a sua grande
simplicidade, robustez e baixo custo é o motor mais utilizado, sendo adequado
para quase todos os tipos de máquinas encontradas na prática. Atualmente é
possível controlarmos a velocidade dos motores de indução com o auxílio de
conversores de freqüência.
A maior parte dos motores de indução são suficientemente robustos
para arrancarem diretamente da rede elétrica, isto é, acelerarem a carga desde
parado até à velocidade nominal, estando aplicada a tensão nominal. No
entanto, durante a fase inicial de arranque, o arranque direto implica um
consumo de corrente cinco a sete vezes superior à corrente nominal do motor[2].
A elevada corrente no arranque direto poderá ter efeitos nocivos:
• Para o motor: O excesso de corrente causa sobreaquecimento, podendo
deteriorar os isolamentos.
• Para a instalação elétrica: Ou é dimensionada para estes valores de corrente,
ou poderão “disparar” os dispositivos de proteção (relês ou disjuntores). Uma
apreciável queda de tensão na linha poderá afetar o funcionamento de outros
equipamentos alimentados pela mesma linha.
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Poderão então existir casos em que é necessário um método de
arranque alternativo, baseando-se todos na redução da tensão de alimentação:
• Arranque por reostato: Uma resistência variável é introduzida em série com o
enrolamento do estator. Método antieconômico, devido às perdas por Efeito de
Joule no reostato.
• Arranque por transformador ou autotransformador: É utilizado um
transformador ou um autotransformador trifásico para auxiliar o arranque por
variação da tensão de alimentação. Dispendioso, dado o preço do
transformador.
• Arranque por conversor eletrônico de potência: O mesmo equipamento de
controlo controla a velocidade e o arranque do motor.
Os motores de rotor bobinados têm também a possibilidade de poderem
ser arrancados (e controlar a velocidade) por introdução de uma resistência
retórica, na fase de arranque.
3.2.1 Controle de velocidade O controle de velocidade dos motores poderá ser efetuado por diversos
métodos:
• Variação da freqüência
A velocidade de sincronismo, é proporcional à freqüência da tensão de
alimentação [3]. Para a tensão da rede elétrica nacional, esta freqüência é fixa
(60 Hz), exigindo um dispositivo eletrônico que forneça uma tensão com
freqüência variável - um conversor eletrônico de potência. Estes dispositivos
normalmente fornecem uma tensão proporcional à variação da freqüência de
forma a manter o binário constante.
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Com a ajuda de um inversor (conversor CC/CA) é também possível obter
uma tensão/freqüência variável a partir de uma fonte de alimentação contínua,
como é o caso das baterias dos automóveis elétricos, permitindo assim a
utilização de um motor de indução num automóvel[7].
• Variação da tensão de alimentação
A variação da tensão de alimentação poderá ser feita por um
autotransformador ou por um conversor eletrônico de potência.
Sendo o binário do motor proporcional ao quadrado da tensão aplicada,
variando a tensão varia-se o binário disponível, logo a velocidade vai ser
diferente. Este fato encontra-se descrito na figura 4. O motor ao ser alimentado
por duas tensões (V1, V2) desenvolve duas curvas de binário (TM1, TM2) [3]. A
interseção das curvas com a carga dá o ponto de funcionamento do motor, o
que corresponde a duas velocidades diferentes (N1, N2):
Figura 4- Variação da velocidade por variação de tensão
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A variação da tensão e da freqüência de alimentação, dos sistemas
modernos de controlo de velocidade, baseados em conversores eletrônicos de
potência, permitem controlar ao mesmo tempo a tensão e a freqüência de
alimentação, permitindo um mais adequado arranque e controlo de velocidade
dos motores de indução.
3.3 Transmissão de dados via infravermelho
Neste tipo de transmissão, o transmissor emite um feixe de raio
infravermelhos que é capturado por um dispositivo sensível ao infravermelho
(similar a uma célula fotoelétrica, porém sensível apenas as radiações na faixa
do infravermelho) que converte as variações do feixe de ondas em variações de
corrente elétrica. Dados digitalizados podem, assim, ser transferidos bit após bit
(ou seja, em uma transmissão tipo serial) entre o transmissor e o receptor. Na
verdade todo transmissor pode agir igualmente como receptor o que faz da
transmissão via infravermelho uma troca de dados bidirecional.
Toda transmissão de dados digitalizados depende de um protocolo, um
conjunto de regras que estabelece a forma pela qual os dados fluem entre
transmissor e receptor e critérios para verificação de erros.
A transmissão via radiação infravermelha é barata e confiável, mas tem
algumas desvantagens. A primeira é que é necessário manter desimpedida uma
linha de visada entre o transmissor e o receptor, ou seja, um tem que ficar em
frente do outro, sem obstáculos entre eles (a radiação infravermelha, como a
luminosa, não é capaz de transpor obstáculos opacos). A segunda é que se trata
de uma comunicação do tipo um para um (ou seja, de um único transmissor para
um único receptor; pode-se trocar dados entre computadores e diversos
periféricos, porém não simultaneamente).
Em princípio, a troca de informações via infravermelho foi concebida
para dispositivos situados a curta distancia (idealmente menos de um metro) e
fluxo de dados relativamente lento: as transmissões são feitas entre 9.600 b/s
(bits por segundo) até um Maximo de 4Mb/s (Megabits por segundo).
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3.4 Transdutores e interfaces Uma importante função da eletricidade é a possibilidade de se medir
grandezas físicas como temperatura, posição, força, pressão entre outros
fatores. Para tanto é necessário transformar essas grandezas físicas em
grandezas elétricas. A função de transformação de uma grandeza, ou uma
forma de energia em outra, pode ser realizada por um sistema conhecido como
transdutor. Simplificando, “transdutor é um sistema que transforma uma forma
de energia para fins de medida.” [4]
Existe sempre uma confusão entre sensores e transdutores, porém por
definição o transdutor é o sistema por inteiro, que produz um sinal devidamente
proporcional à grandeza física que está sendo medida. Por outro lado o sensor é
apenas a parte do transdutor que “sente” a grandeza física a ser medida pelo
transdutor.
3.4.1 Finalidade do Transdutor:
Detectar a presença, a mudança, a amplitude ou a freqüência de uma
determinada medida.
Providenciar na saída um sinal elétrico, que, quando convenientemente
processado e aplicado a um aparelho de medida nos permite quantificar o
elemento medido. Esse elemento pode ser uma quantidade, uma propriedade ou
uma condição que o transdutor transforma num sinal elétrico.[4]
3.4.2 Características dos Transdutores
Na escolha de um transdutor é necessário observar alguns aspectos
que podem ser de grande relevância no desenvolvimento de um projeto. Estes
aspectos estão descritos abaixo de forma um pouco mais sucinta. [4]
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Faixa
Representa os níveis de amplitude do sinal de entrada, sinal o qual o transdutor
deve operar.
Resolução Pode ser definida como o menor incremento do sinal de entrada que pode ser
sensível e conseqüentemente medido pelo instrumento.
Sensibilidade O transdutor deve ser suficientemente sensível para permitir uma saída
razoavelmente detectável.
Linearidade O objetivo de uma curva de resposta de um transdutor é que ela seja o mais
próxima de uma reta, configurando assim a linearidade do transdutor.
Exatidão ou Erro Todo instrumento apresenta uma exatidão que seria definida pela diferença
absoluta entre o valor real da medida e o valor que o instrumento indica.
Precisão ou Repetibilidade É a capacidade do instrumento obter o mesmo valor várias vezes pelo mesmo
instrumento, sendo dado pelo desvio padrão das medidas efetuadas de um
mesmo valor.
Relação Sinal/Ruído É definida pela relação entre a potência de um sinal que está sendo indicado na
saída e a potência do sinal de ruído com o sinal ausente.
Estabilidade
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Define-se estabilidade pela capacidade do instrumento em retornar a uma
situação permanente depois de receber um sinal qualquer.
Isolação
Encontrada dentro do instrumento com a finalidade de que não haja ruptura, um
“vazamento” pela constante dielétrica do instrumento.
Resposta de Freqüência É a faixa definida do espectro que determinado equipamento pode reproduzir.
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4 ESPECIFICAÇOES DO HARDWARE O sistema é composto, por uma placa para aquisição dos sinais dos
sensores, situada na base giratória do Kit, um motor de corrente alternada com
controle de velocidade e um computador.
Os computadores são excelentes instrumentos utilizados em sistemas de
controle digitais de processos dinâmicos, porque podem executar com
flexibilidade e rapidez o cálculo das ações requeridas em tarefas de regulação,
implementando, inclusive técnicas de controle.
A principal idéia de funcionamento do hardware baseia-se no
gerenciamento e aquisição de sinais provenientes de uma plataforma que se
encontra em movimento circular.
As características operacionais da implementação prática são: circuitos
eletrônicos de medição e atuação, filtros, calibração, e sensores; enquanto que
as características de experimentação são: aspectos de estabilidade e
linearidade, modelagem e controle digital, ensaios e regulação.
As técnicas do hardware de aquisição de dados desenvolvidas, utilizam
basicamente: 1 microprocessador, um módulo de transmissão e receptor de
infravermelho e demais componentes eletrônicos como capacitores e resistores.
O motor usado no projeto é um motor de indução chamado de universal. A
denominação de motor universal deriva do fato de poder operar tanto sob
alimentação CA como CC [2]. Para operar em CA, o estator e o rotor devem ser
de chapas laminadas, para evitar perdas por histerese e correntes parasitas.
Tipicamente o estator é um conjunto de pólos salientes como bobinas
enroladas sobre eles. O rotor é construído por um enrolamento distribuído em
ranhuras e ligado em serie com as bobinas do estator, que recebe o nome de
armadura. Os terminais das bobinas do rotor são soldados num anel coletor
solidário ao eixo, e a conexão com o meio externo é feita por um conjunto de
escovas de grafite conforme pode ser visto na figura 5.
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Figure 5- Motores serie universal
Esses motores podem apresentar elevadas rotações, chegando ate 12.000 rpm.
A variação de tensão aplicada permite a variação de velocidade [2].
4.1 Funções do sistema As principais características do equipamento para experimentação
podem ser resumidas como:
1- Mostra um problema comum de controle de processos industriais como o
controle da velocidade do motor CA e transmissão de dados via infravermelho.
2- Os estudantes podem apreciar através de sensações visuais (movimento do
motor e movimento de um corpo em torno de um eixo).
3- A constante de tempo do sistema estará adaptada para apreciar facilmente a
evolução dos sinais, a duração de cada movimento do corpo girante e os dados
de adquiridos pelo sistema.
4- É totalmente seguro. Foi desenvolvido dentro de uma cúpula de proteção em
madeira e acrílico, de forma que o estudante possa ter uma visualização geral
do experimento sem risco algum.
5- É fácil de manusear e a conexão com o PC é realizada pela porta serial,
simplificando significativamente a instalação.
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6- De manutenção reduzida, pois os componentes de implementação são
comuns e facilmente substituíveis.
4.2 Requisitos de Hardware
4.2.1 PIC16F867A
Um microcontrolador se caracteriza por incorporar no mesmo
encapsulamento um microprocessador, memória de programa e dados e
vários periféricos como temporizadores, “watchdog timers”, comunicação
serial, conversores Analógico/Digital, geradores de PWM, etc.
Para o desenvolvimento do kit foi usado o PIC16F876A, microcontrolador de
8 bits que é o responsável pelo controle do módulo dos sensores e a
interfase do infravermelho com a serial do computador.
Algumas características do PIC 16F876A são:
Freqüência de operação: 4Mhz Tensão de alimentação: 5 Vdc Conversor A/D (5 Entradas) 20 Pinos para I/O
4.2.2 Módulo de aquisição de dados dos sensores Neste módulo, são coletadas todas as informações que os sensores de
inclinação, força e velocidade adquirem para que possam ser enviados ao
computador.
27
4.2.2.1 Transdutores:
4.2.2.1.1 Sensor optoacoplador
Um optoacoplador, também chamado acoplador óptico, é um componente
eletrônico formado pela união de um LED e um fototransistor, acoplados através
de um meio condutor de luz e encapsulados numa cápsula fechada e opaca á
luz.
Quanta maior corrente elétrica através do fotodiodo, maior será a
quantidade de fótons emitidos e, por tanto, maior será a corrente elétrica que
recorra o fototransistor. Consiste em uma maneira de transmitir um sinal de um
circuito elétrico a outro. Observe-se que no existe comunicação elétrica entre os
dois circuitos, ou seja existe uma transferência de informação mas não existe
uma conexão elétrica: a conexão é óptica.
Figura 6- Optoacoplador óptico
4.2.2.1.2 Strain gauge
É um resistor composto de uma finíssima camada de material condutor,
depositado sobre um composto isolante. Este é então colado sobre a estrutura
em teste com auxílio de adesivos como epóxi ou cianoacrilatos. Pequenas
variações de dimensões da estrutura são então transmitidas mecanicamente ao
strain gauge, que transforma essas variações em variações equivalentes de sua
28
resistência elétrica (por está razão, os strain gauges são definidos como
transdutores).
O strain gauge, como o próprio nome diz, é um sensor de deformação
mecânica localizada.
Figura 7- Strain gauge
4.2.3 Módulo de aquisição de dados via infravermelho
Neste módulo foi desenvolvida a interface que se encarregará de receber
os sinais dos sensores, tudo por meio de um protocolo de comunicação para
saber de qual sensor está sendo enviado o valor. Para sua construção foi usada
a porta serial do micro. O LED infravermelho emissor e o fotodiodo receptor
estarão posicionados de tal maneira que não tenham nenhuma obstrução entre
eles.
4.2.4 Módulo de controle de velocidade do motor CA
Um circuito controlador de tensão CA monofásico, com controle de
potencia, foi feito para o controle da velocidade do motor, com a finalidade de ter
diferentes momentos na inclinação na haste que carregara os pesos. O que o
circuito da figura 8 faz é controlar o ângulo de condução do TIC. Disparando-o
em diversos pontos do sinal senoidal da rede elétrica, é possível aplicar
Terminal para soldar o fio de ligação
Grade Elemento Resistivo Fio ou Lâmina (foil)
Base do extensômetro
29
potências diferentes a uma carga (motor, lâmpada incandescente, estufa,
secador de cabelos etc.).
Assim, se o disparo for feito no início do semiciclo, todo ele (o semiciclo
de potência) poderá ser conduzido para a carga e ela receberá potência
máxima. Entretanto, se o disparo ocorrer no final do semiciclo, uma pequena
parcela da energia será conduzida até a carga que operará com potência
reduzida. A forma de onda gerada com o disparo, é apresentada na figura 9.
10K
R2
220KPOT
C1
100nF
TIC226D
1
Vca
1
Vca
1
MOTOR
1
D1
DIODE DIAC
Figura 8- Esquemático controle
Figura 9- Tensão de saída e corrente de carga do controlador de tensão CA
30
4.2.5 Módulo de conversão AD
Este módulo recebe os sinais analógicos provenientes do sensor de força
(strain gauge), este é convertido para digital e posteriormente transmitido por
infravermelho.
O conversor AD faz o mapeamento do valor de entrada analógico
(contínuo) para um valor de saída discreto, ou seja, transforma um número
qualquer de tensão em outro valor para a base binária (figura 10).
Figura 10- Função de um conversor A/D
Como os computadores só reconhecem sinais digitais, se faz necessária
a conversão de sinais analógicos para digital.
Todo conversor A/D possui uma resolução que é determinada pelo
número de bits de saída, sendo que a resolução do conversor determina o
menor passo que sinal analógico de entrada pode ser discriminado.
31
4.2.6 Amplificadores Operacionais
O amplificador operacional é um amplificador muti-estágio de
acoplamento direto e entrada diferencial cujas características se aproximam de
um amplificador ideal. O Amplificador Operacional, também denominado de
amp-op é um amplificador diferencial de ganho muito elevado com uma
impedância de entrada muito alta e baixa impedância de saída [8]. Tipicamente
o amp-op é usado para se obter amplitudes variáveis de tensão, osciladores,
circuitos de filtros e muitos tipos de circuitos de instrumentação. [8]
A pinagem de um amplificador operacional 741, um dos mais populares,
pode ser visualizada na figura 14, bem como a descrição de cada pino.
Figura 11- Amplificador Operacional 741
Os amplificadores operacionais serão utilizados no projeto no módulo
de tratamento de sinais provenientes dos sensores de força, já que as tensões
que eles geram são muito baixas e com muito ruído, tendo que condicionar o
sinal para poder obter uma leitora certa do que está acontecendo em termos de
deformação da haste.
32
5 ESPECIFICAÇÕES DO SOFTWARE
5.1 Ferramentas de desenvolvimento e linguagem de programação
O projeto foi desenvolvido principalmente na linguagem de programação
C++, plataforma do C++ Builder 6.0 pois é uma ferramenta de fácil uso alem de
eficiente e poderosa na parte de transmissão serial.
Para a programação do firmware, que é o responsável pela configuração
do microcontrolador, operação do conversor analógico digital e transmissão dos
dados para o computador, será utilizado o MPLAB IDE [MICROCHIP] e a
linguagem C para microcontroladores PIC.
5.2 Software do sistema
O software desenvolvido tem a funcionalidade de interpretar os valores
provenientes da porta serial e determinara os cálculos da:
• Força centrípeta do corpo
• Velocidade que o corpo tem em um determinado instante
• Ângulo que o corpo faz com a haste
• Posição num determinado momento do movimento
Todos estes cálculos são referentes, à aquisição dos dados recebidos
pelo módulo de recepção via infravermelho. O programa mostra ao usuário uma
interfase gráfica para Windows com os resultados finais.
33
6 PREVISÃO DE CUSTOS A seguir são apresentados os custos do projeto:
• Hora técnica do profissional: R$ 5.00 aprox 600 horas = R$3.000
• Motor de corrente alternada: R$ 25.00
• Componentes do receptor do infravermelho: R$ 40.00
• Componentes do módulo dos sensores: R$90.00
• Cúpula protetora: R$70.00
• Módulo do controle da velocidade: R$20.00
• Módulo para o Microcontrolador PIC16F876A: R$40.00
Um total de R$3.285
34
7 CRONOGRAMA DO PROJETO
35
36
8 PROJETO DO HARDWARE
O hardware desenvolvido no projeto tem a funcionalidade de detectar as
diferentes posições e variações de um corpo quando este se encontra em
rotação sobre um eixo, captura esses sinais, converti-os a sinais digitais e envia-
os para o computador.
A segunda parte do hardware, um módulo de controle do sinal senoidal
da rede elétrica é o responsável por aplicar potencias diferentes e no final
conseguir o controle da velocidade do motor de indução.
8.1 Circuito de alimentação
Para á alimentação do circuito de controle dos sensores e transmissão
dos dados, foram utilizadas baterias de 9V regulada para uma tensão de 5V, por
meio do circuito apresentado na figura 12. Já o motor de indução, é alimentado
diretamente da rede elétrica (127volt).
IN1
OUT3
U1
LM7805C/TO220
D1
DIODE
R1KRESISTOR
D3LED
C1CAPACITOR
VCC
+5V
0V
GND
Vdd +
Figura 12- Módulo regulador de tensão para 5V
37
8.2 Controle da velocidade
O circuito para o controle da velocidade gerencia o disparo do TIC.
Quando o potenciômetro se encontra na sua posição de valor máximo, o tempo
de carga do capacitor até ocorrer o disparo do DIAC (que controla o TIC) é
maior. O disparo ocorre quase que no final do semiciclo e a potência entregue
ao motor é mínima. Com o potenciômetro na sua posição de mínimo, a carga do
capacitor é rápida e o disparo do DIAC ocorre no início do semiciclo quando o
motor desenvolve praticamente toda a sua potência.
Uma característica importante do circuito da figura 13 é que sendo o
controle feito pela parcela do semiciclo aplicado e não pela sua tensão, o torque
se mantém mesmo em baixas velocidades.
10K
R2
220KPOT
C1
100nF
TIC226D
1
Vca
1
Vca
1
MOTOR
1
D1
DIODE DIAC
Figura 13- circuito regulador de potencia
8.3 Módulo dos sensores
8.3.1 Ângulo e velocidade
Para medir o ângulo da haste com a vertical, utilizou-se um optoacoplador
(figura 14), posicionado no axial da haste, e um encoder calibrado para
interromper o feixe de luz 6 vezes nos respectivos ângulos 15°-30°-45°-60°-75°-
90. Por meio dele e do valor da velocidade, foi possível verificar o ângulo que o
corpo tem num determinado instante.
38
A cada passagem, é gerado um pulso que o microcontrolador interpreta,
guarda e compara com o valor da velocidade, se o valor da velocidade
aumentou, o ângulo è incrementado em 15°, se ela decresce, o ângulo será
diminuído nos mesmos 15°. O firmware do microcontrolador está configurado de
tal forma que o valor mínimo do ângulo è 0° e um valor Máximo de 90°.
Figura 14- Optoacoplador para medição do ângulo
Para obter o valor da velocidade, foi usado o mesmo mecanismo de
medição, a diferencia é que o optoacoplador estará posicionado no eixo central
da haste e a cada giro do motor (360°). O microcontrolador interpretara este
sinal e por meio do timer e um contador, envia ao receptor, o numero de
passagem que ocorreram em um minuto.
Os valores práticos do sensor a ser usado no projeto se encontram entre
20% e 300 %, dependendo da potência da radiação do LED, da eficiência na
transmissão do sinal luminoso e da razão de transferência de corrente estática o
fototransistor.
8.3.2 Sensores de deformação
Um dos fatores envolvidos no movimento circular é a força centrifuga que
a haste tem quando se encontra em rotação. Para medir este valor, tentou-se
39
utilizar sensores de deformação do tipo String gauge, porem, logo de vários
testes com a plataforma em movimento não foi possível obter o resultado
esperado e a tensão resultante não apresentava um padrão com o qual se
pudesse validar a força exercida na haste.
Figura 15- Partes do string gauge
O princípio de funcionamento baseia-se na variação da resistência
ôhmica de um extensômetro, quando submetido a uma deformação. Foram
utilizados dois extensômetros ligados entre si segundo a ponte de Wheatstone
apresentada na figura 16, sendo o desbalanceamento da mesma, em virtude da
deformação dos extensômetros, proporcional à força que a provoca. É através
da medição deste desbalanceamento que se obtém o valor da força aplicada.
Os extensômetros foram colados a uma haste metálica (alumínio) na
posição apresentada na figura 17. A força atua, portanto sobre o corpo da haste
e a sua deformação é transmitida aos extensômetros, que por sua vez mediram
sua intensidade. A forma e as características da haste devem ser objeto de um
meticuloso cuidado, tanto no seu projeto quanto na sua execução, visando
assegurar que a sua relação de proporcionalidade entre a intensidade da força
atuante e a conseqüente deformação dos extensômetros seja preservada tanto
no ciclo inicial quanto nos ciclos subseqüentes, independentemente das
condições ambientais. A forma e peso, portanto, deve conduzir a uma
"linearidade" dos resultados.
40
Figura 16- Esquemático da Ponte de Wheatstone usada para testes
A análise do circuito está desenvolvida abaixo:
E = VABC = VADC
IABC= VABC/(R1 + R2)
IADC=VADC/(R3 + R4)
eo = VBC - VDC
eo = R2.IABC - R3.IADC
eo = E.R2/(R1 + R2) - E.R3/(R3 + R4)
eo = E.(R2.R4 - R1.R3) / (R1 + R2).(R3 + R4)
A cada extensômetro é definida a tensão elétrica E aplicada à ponte.
O extensômetro pode ocupar o lugar de um, dois ou quatro resistores.
Sua posição na ponte é definida pelo tipo de medição a que se destina o circuito.
No caso da haste foram utilizados dois extensômetros. O primeiro para medição
da deformação e o segundo para equilibrar a ponte e diminuir erros.
41
Figura 17- Localização dos sensores na haste
8.4 Microcontrolador
Na figura 18 são descritas as ligações dos componentes ao
microcontrolador que gerencia os sensores e o protocolo de comunicação com a
porta serial.
Os pinos 21 e 22, normalmente em nível lógico zero, enviam um pulso de
aproximadamente 5v ao Tx (pino 17) quando o feixe dos sensores é bloqueado.
No pino 17 está conectado o LD271 transmissor de infravermelho
estrategicamente colocado na ponta da haste (figura 19) único lugar, no qual o
LED se encontra em uma correta posição para a transmissão de dados, pois
este deve estar alinhado com o módulo receptor, que se encontra na parte fixa
da caixa protetora.
42
12
J2
CON2
R5
330
D4
LED transmissor
VIN1
GND
2
VOUT3
U3 LM7805/TO
MCLR/VPP/THV1
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-4
RA3/AN3/VREF+5
RA4/T0CKI6
RA5/SS/AN47
GND19
OSC1/CLKIN9
OSC2/CLKOUT10
RC0/T1OSO/T1CKI11
RC1/T1OSI/CCP212
RC2/CCP113
RC3/SCK/SCL14
RC4/SDI/SDA15
RC5/SDO16
RC6/TX/CK17
RC7/RX/DT18
GND8
VDD20
RB0/INT21
RB122
RB223
RB3/PGM24
RB425
RB526
RB6/PGC27
RB7/PGD28
U9
PIC16F876
10K
100uFD2
LED
4 Mhz
R4470
33pF
SW2
D3
1N4001 33pF
12345678
J1
Figura 18- Descrição dos pinos do PIC
Figura 19- Transmissor infravermelho na sua posição final
Um dos primeiros módulos a ser conectado ao microcontrolador foi o
circuito oscilador (figura 20), um cristal oscilando a 4Mhz. É esse cristal que
gera os pulsos precisos para um bom funcionamento do microcontrolador.
Transmissor infravermelho
43
Figura 20- Circuito oscilador de 4Mh o PIC16F876A
8.5 Transmissão de infravermelho
Um outro módulo necessário para o projeto é o conversor de sinais
RS232/TTL (figura 21) utilizado para fazer a conexão entre o módulo receptor
dos sinais infravermelhos e o computador através da porta serial. Na figura 20
podemos ver que no pino 11 do Max232 esta ligada uma das saídas de um
buffer 74ls541 que recebe os pulsos enviados pelo transmissor por meio de um
foto-transistor para infravermelhos (BP103B3) . Este buffer foi utilizado já que
existia uma tensão no led, que o Max interpretava erroneamente como sendo
um valor. O pino 2 do conector DB9 é conectado através do cabo serial ao pino
14(Tx) do Max232. O pino 5 (GND) do conector é ligado ao terra do circuito de
alimentação. Os capacitores eletrolíticos são utilizados para configurar o
funcionamento certo do Max232.
44
VIN1
GND
2
VOUT3
U5 LM7805/TO
10uF
D8
1N4001 VCC
12
J2
CON2
SW3 R7
56k
VCC
D6
LED Receptor
A12
A23
A34
A45
A56
A67
A78
A89
G11
G219
Y118
Y217
Y316
Y415
Y514
Y613
Y712
Y811
U11
74LS541
C1+1
C1-3
C2+4
C2-5
VCC16
GND15
V+2
V-6
R1OUT12
R2OUT9
T1IN11
T2IN10
R1IN13
R2IN8
T1OUT14
T2OUT7
U4
MAX232
1uF1uF
VCC1uF
1uF
594837261
CONNECTOR DB9
VCC
Figura 21- conversor de sinais RS232/TTL para comunicação serial entre a placa controladora e o computador
A seção receptora do infravermelho foi conectada a uma porta serial
COM. Os pulsos provenientes do LED infravermelhos têm freqüência de 160
Hz e seu alcance, com o receptor, está entre 1 e 3cm. Com outros tipos de
receptores pode-se alcançar até cerca de 30cm, sem qualquer lente
focalizadora, mas com um alinhamento perfeito entre Tx e Rx, mostrado na
figura 22. Como a plataforma não é uma estrutura fixa, pelo contrario, o
transmissor esta em rotação sob seu próprio eixo foi decidido deixa-lo mais
próximo possível, para evitar erros na transmissão e futuramente, erros nos
cálculos.
45
Figura 22- alinhamento do receptor com o transmissor de infravermelho
9 PROJETO DO SOFTWARE
O projeto de software deste projeto está dividido no firmware da placa
controladora e no software de analise dos dados.
9.1 O firmware
É o encarregado de gerenciar cada uma das portas usadas do
microcontrolador. Nele está especificada a velocidade de transmissão dos
dados, os pinos utilizados para aquisição e envio de sinais, a configuração do
timer e da porta serial e alguns cálculos necessários para obter no final o ângulo,
velocidade e força certos.
Neste programa, Também está especificado o protocolo de comunicação
utilizado para saber qual dos sensores foi ativado, o inicio e o fim da
transmissão dos dados e o tempo total que leva o processo em acontecer.
A figura 22, apresenta o fluxograma, caminho que os dados e as instruções
fazem a cada vez que é inicializado o PIC.
Conector porta serial
Receptor de infravermelho
46
9.1.1 Fluxograma do firmware
inicio
configuracao da porta serial e das portas
interrupcao porta
carater recebido?
converte dados dos sensotes
envia dados dos sensores
Habilita transmissao
nao
sim
Figura 22- Fluxograma do firmware
47
9.1.2 Diagrama de estados
Em espera Lendo a porta serial
Configurando conversor
Transmitindo dados
Convertendoos sinais
Interrupcao porta serial (RX)
Inicio
Figura 23- Diagrama de estados do Firmware
9.2 Software de analise
Este software é executado no computador. Consiste numa interface gráfia
que tem por finalidade manipular e mostrar de uma forma fácil de entender, os
dados recebidos pela porta serial. É o encarregado de transformar os bits em
dados com os quais poderão ser feitos os cálculos da força, ângulo e velocidade
do corpo num determinado momento.
48
As opções que o software oferece são:
• Mostrar: habilita a transmissão de dados pela porta serial
• Parar: congela a tela, para poder visualizar e comparar dados.
• Zerar: é um reset para o programa zera os valores das variáveis
• Sair: sai do programa
Os campos que o usuário pode visualizar descrevem o seguinte:
• Tempo: mostra o tempo transcorrido desde o início dos testes
• Velocidade: a velocidade em radianos por segundo, que o corpo tem num
determinado instante.
• Ângulo com velocidade: recebe o valor das passagens do encoder e o
compara com a velocidade se aumento, o ângulo será incrementado, se a
velocidade diminuiu, o ângulo será decrementado.
49
• Ângulo sem velocidade: é o valor calculado matematicamente com a
freqüência do corpo em rotação. Isto é feito para que o usuário possa
comparar a margem de erro que é mínima em altas rotações. Estes dois
parâmetros podem ser observados tanto gráfica como numericamente.
• Força: mostra o valor que a força centrípeta, está exercendo sobre a
haste.
• Leitura atual: mostra o valor atual recebido pela porta
• Histórico de leitura: mostra um histórico dos dados que estão sendo
enviados pelo transmissor, sem tratamento nenhum
Na figura 24 é apresentado o diagrama de caso de uso do software
analisador, com cada um dos agentes que interagem na execução do mesmo.
Figura 24- diagrama de caso de uso do software analisador
Aumentar velocidade
Inicio
Diminuir velocidade
50
9.3 Descrição do processo de software
9.3.1 Rotina do microcontrolador
A rotina do microcontrolador é a responsável pela inicialização do sistema
cada vez que este é resetado. Esta configuração carrega as ferramentas básicas
do clock e seleciona as rotinas dos sensores, como é apresentado na figura 25.
INICIO NO MRICROCONT
Inicializa o timer
inicializa o oscilado
inicializa as entradas e as
saidas
velocidade Min
velocidade max
inicializa oconversor
A\D
retorna
Figura 25- Fluxograma Microcontrolador
51
9.4 Transmissão do infravermelho
A transmissão de dados infravermelho é implementada de acordo com
protocolos e padrões. Esses padrões são projetados para aceitar componentes
de baixo custo como no caso do projeto.
O protocolo usado especifica os procedimentos que oferece suporte para
estabelecer o vinculo, a descoberta de endereços de dispositivos, a negociação
da inicialização da conexão e da taxa de dados, a troca de informações, a
desconexão e o desligamento do vinculo.
9.4.1 Fluxograma da transmissão
A placa microcontroladora cria um vínculo detectado através de uma
solicitação do usuário. A estação de comando envia uma solicitação de conexão
a 9.600 bits por segundo para outro dispositivo (incluindo informações como
endereços, taxa de dados, e outros recursos como os sinais já convertidos dos
sensores). O dispositivo de resposta assumirá o papel secundário e retorna
informações que contem seu endereço e seus recursos. A estação principal do
microcontrolador e a secundária alteram a taxa de dados e os parâmetros do
vínculo passando a utilizar a configuração comum definida pela transferência
inicial de informações.
Finalmente á estação principal envia dados para estação secundária
confirmando a conexão. Os dispositivos são conectados e iniciam a
transferência de dados sobre o controle do dispositivo principal, o fluxograma é
mostrado na figura 26.
52
Inicio
Solic Usuario
Cria Vinculo
recebe(Secundario)
Retorna endereço
Solicita Conexao(Primario)
Fechar
FIN
sim
Não\Fecha
Figura 26- Fluxograma do Infravermelho
53
10 RESULTADOS E CONCLUSÕES
Para a calibração de cada um dos sensores, foram feitos diferentes testes
cujos resultados são mostrados nas tabelas a seguir:
10.1 Velocidade
O valor Máximo da velocidade do motor, medido com um tacômetro foi de
1710 rpm rotações por minuto. A freqüência de rotação máxima, mostrada pelo
computador foi de 29 rps (rotações por segundo). O timer do microcontrolador foi
configurado em contagem de um segundo por ser está, a unidade padrão para
cálculos de velocidade. No software foi deixado à vista do usuário o valor que o
timer estava enviando (tempo em segundos) ao computador, comparando este
valor com um cronômetro digital, observo-se que o intervalo de um segundo
estava ocorrendo de forma correta sem erros nem variações aleatórias.
Por este motivo pode se concluir que o erro de 1,6% obtido no valor da
freqüência de rotação pode diminuir, se em vez de usar um tacômetro digital
segurado pela minha mão, usamos um tacômetro ótico, que pela sua forma de
posicionamento pode chegar a ser mais exato.
Figura 27- Valor Maximo em rotações por minuto obtido por um tacômetro
A tabela abaixo mostra alguns dos valores de testes obtidos no software,
com seu respectivo valor medido no tacômetro.
54
Tabela 1- valores medidos e valores calculados da velocidade
10.2 Ângulo:
Para calibrar o ângulo que a haste faz com a vertical quando está se
encontra em rotação, foi usado um encoder, modificado de forma que a
separação das suas divisões tiverem intervalos de 15°.
Fisicamente, conhecendo a velocidade linear e o raio do sistema em rotação,
podemos encontrar o ângulo num determinado instante. Sabendo que:
Tag ө = V 2 / Rg
1710 29 1681 28 1402 27 1375 23 1280 20 1040 17 744 12 556 9 491 8 404 7 358 6 325 5 166 3 67 1 0 0
Velocidade medida pelo tacômetro em
rpm
Velocidade calculada em
rps
55
Onde V e a velocidade linear, R é o raio da haste (27cm), g a força da
gravidade = 9.8 m/s2 e ө é o ângulo que queremos achar é possível determinar
com está formula o valor do angulo. Na interfase gráfica do software, está
disponível para o usuário o valor do ângulo calculado com a formula descrita
acima e a visualização do ângulo com os dados provenientes do sensor
posicionado no axial da haste, isto foi feito para que o usuário tenha uma forma
de comparar o valor esperado matematicamente com o valor amostrado pelo
sensor.
A tabela 2 mostra, o valor da velocidade lineal em cada instante (m/s), os
valores do sensor ângulo mostrados graficamente pelo software e os valores
calculados pelo software usando a velocidade.
Tabela 2 – valores do ângulo pelo sensor e calculado pelo software.
Velocidade da
plataforma
Ângulo em graus da haste
mostrado graficamente no
software
Ângulo da haste em graus
calculado pelo software
0 0 0
0,318 15 14..87
0,467 30 29.91
0,614 45 44.83
0,809 60 59.4
1,187 75 73.82
4.653 90 88.94
56
Figura 28- Ângulos apresentados no software 0°°°°-15°°°°- 30°°°°- 45°°°°- 60°°°°-75°°°°- 90°°°°.
10.3 Força
O calculo da força centrifuga da haste, foi determinado pela formula
fc= mv2 / r, onde m é a massa do corpo pendurado nas hastes, v a velocidade da
plataforma e r o raio. A massa do objeto foi calculada da seguinte forma:
Massa = (PesoObjeto em Kg * 9.807) / 9.8
O Valor do peso foi multiplicado por 9.807 para passar para Newton
A tabela 3 mostra os valores da força centrifuga do corpo em movimento
circular com velocidades variadas.
57
Tabela 3 – Resultados calculados da força centrípeta
Velocidade Força centrifuga peso de
5g Força centrifuga com
peso de 10g 0 0 0
0,318 0.003746 0.00374800
0,467 0.00404157 0.00808314
0,614 0.006986394 0.01397278
0,809 0.012128675 0.024257
1,187 0.026110653 0.0522213
4.653 0.401219847 0.8024397
A ponte construída nas especificações, para medição da força teve
ótimos resultados no protoboard. Ao exercer uma força na haste que variara a
resistência do strain gauge foram obtidos valores validos de deformação que
testados e confirmados no sistema de medição de deformação implementado no
laboratório de resistência dos materiais da engenharia mecânica. Já a
implementação do mesmo na plataforma de rotação, não obteve o mesmo
resultado, a força não era exata e não era possível a sua visualização. Foi por
este motivo que se decidiu deixar a força calculada pelo software, tudo para ter
um melhor entendimento do sistema.
10.4 Transmissão infravermelho
A transmissão infravermelha funcionou conforme o esperado. As
dificuldades, ao principio, aconteceram no alinhamento entre o transmissor e o
receptor. Para isso, os módulos foram construídos de tal forma que o
transmissor e o receptor de infravermelho foram fixados, e não ter erros ou
valores indesejados nos dados transmitidos. O receptor foi coberto de forma que
a luz externa, não incida na comunicação e o transmissor colado na ponta da
haste (figura 30).
58
Figura 29- posicionamento do transmissor e o receptor para uma melhor comunicação.
Receptor de infravermelho
Transmissão de infravermelho
59
11 VALIDAÇÃO
O objetivo deste projeto foi a construção de uma plataforma que
mostrasse de forma fácil as forças que um corpo tem quando se encontra em
movimento circular. A estrutura foi capaz de se movimentar e de levantar os
diferentes pesos sem nenhum tipo de contato e os módulos de transmissão e
recepção funcionaram conforme o esperado. Um dos aspetos a se levar em
consideração nesses módulos é o alinhamento entre o led transmissor e o
receptor. Com a estrutura construída para isto, a transmissão teve um fluxo bom
de dados sem perdas no caminho.
Na aquisição do sinal do ângulo utilizou-se um encoder modificado para obter
intervalos de 15°, validado com ajuda de um transferidor. Com fins de
melhoramento do produto para futuros projetos, poderia ser usado um encoder
absoluto, com maior precisão na medição, dando um valor diference a cada um
dos seus espaçamentos, podendo com este, ter mais valores de ângulos para
visualização.
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13 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] PAUL E. TIPPENS “FISICA 1”. Mc GRAW-HILL, INTERAMERICANA DE MEXICO,S.A, 1992. [2] GILLERME FILIPPO FILHO. “MOTRO DE INDUÇÃO”, ERICA, SÃO PAULO 2000.
[3] MUHAMMAD H. RASHID. “ELETRÔNICA DE POTENCIA”, MAKRON
BOOKS DO BRASIL, SÃO PAULO 1999.
[4] MARCELO MARTINS WERNECK. “TRANSDUTORES E INTERFACES”,
LTC S.A LIVROS TECNICOS E CIENTIFICOS, RIO DE JANEIRO, 1996.
[5] FISICA GERAL DISPONIVEL EM WWW :
http://www.ualg.pt/fct/fisica/PDFdoc/força_centrifuga.pdf UNIVERSIDADE
DO ALGARVE, 2004.
[6] ACELERAÇAO EM MOVIMENTO CIRCULAR DISPONIVEL EM WWW:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Movimento_circular MARÇO, 2006.
[7] MAQUINAS ELETRICAS, ANTONIO A.R. COELHO,
SANTACATARINA, 1996.
[8] ANTONIO PERCENTE-JUNIOR, “AMPLIFICADORES OPERACIONAIS ”,
MAKRON, SÃO PAULO, 1996.
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MANUAL TECNICO
Monitoramento e Controle das Forças Atuantes num Corpo em Movimento Circular
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NOTIFICAÇÂO Este manual, junto com todas as informações técnicas, imagens, ilustrações e
software são de propriedade única do autor. Não pode ser reproduzido nem
copiado sem a autorização do mesmo. Sujeito a mudanças sem aviso prévio do
autor.
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Descrição
Este manual contém todas as especificações técnicas necessárias do Kit,
assim como uma descrição detalhada do hardware e do software desenvolvido,
a fim de facilitar e solucionar eventuais problemas de funcionamento.
Lista de componentes
Componente Função 16F876A Microcontrolador Max232 Driver Para Serial 74ls541 Buffer Strain_gauges Deformação Optoacoplador Detector de passagem BP103B3 Foto-transistor Receptor
LD 271 Infrared Emitter LM7805 Regulador de tensão
Mecânica do KIT A parte da plataforma do Kit foi feita em alumínio e madeira, dividida em:
• Um Motor universal
• Uma haste central
• Uma base no topo da haste com mais duas hastes axiais
• Módulo transmissor
• Kit de pesos com massas diferentes para testes
• Caixa protetora em madeira com tampa de proteção em acrílico
• Base em madeira lateral para diminuição de vibração
• Módulo Receptor
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Manutenção
A parte mecânica do Kit é inteiramente desmontável, a fim de facilitar sua
manutenção, mas não deve ser feita pelo usuário se este não tiver condições de
calibrar cada uma das partes, pois qualquer desequilibro pode gerar erro nos
cálculos finais.
São utilizados dois optoacopladores para os cálculos de velocidade e
ângulo.
O primeiro encontra-se no topo do módulo transmissor, junto à haste
central para obter a freqüência do motor e poder posteriormente obter a
velocidade angular em determinado momento.
O segundo está posicionado na esquina da base que contem o módulo
transmissor, ele lê as passagens do encoder, estes pulsos são usados para
determinar o ângulo em que a haste se encontra ao variar a velocidade.
Os sinais dos dois sensores chegam, digitalmente, a placa transmissora,
deve-se ter extremo cuidado na escolha dos resistores do circuito do
optoacoplador já que uma variação delis pode queimar o componente, o valor
recomendado é de 470 ohms para o emissor e 100K ohms para diodo.
Alimentação elétrica
Os módulos de aquisição e recepção de dados, funcionam com tensão
de 5V. Dentro de cada módulo está implementado um circuito para regular a
tensão proveniente das baterias de 9V que alimenta cada um dos componentes.
Estas se encentram dentro das caixas com um suporte e um conector para troca
fácil do usuário.
O motor, é ligado diretamente na tomada (127V) passando por um circuito
regulador de potencia, para poder variar a velocidade.
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Tratamento do sinal
Os sinais digitais, transmitidos pelo infravermelho são provenientes dos
optoacopladores eles têm uma variação de 0V quando não tem passagem e de
3.8V ate 5V quando é interrompido o feixe. Esta faixa é suficiente para que o
pulso seja transmitido sem perda de dados pelo infravermelho.
Já na parte receptora foi utilizado um buffer 74ls541 para regular a tensão
do fototransistor para uma melhor leitura na interfase serial, pois ele tinha uma
tensão de 0,8V que não era aceito como zero pelo max232 e por conseqüência
existiam perdas de dados no software.
Microcontrolador
O microcontrolador é o encarregado de coletar e gerencias os sinais dos
sensores. Alimentado com 5V usa o pino 17 para transmitir os pulsos dos
sensores pelo LD271 precisando de uma resistência de 330 ohms ate 470 ohms
para não queimar o transmissor.
Transmissão serial
Os pulsos capturados pelo receptor são enviados para o computador
serialmente. Para a conversão dos níveis de tensão aceitos por esta porta é
usado o circuito integrado MAX232 da Texas instrument.
Inspeção do sistema
1- Sem alimentar o circuito, verifique a continuidade dos fios.
2- Verifique se cada um dos módulos está ligado. Para isso, o LED do lado
direito dos módulos deve estar aceso.
3- Verifique se os sensores estão funcionando corretamente, se ao cortar o
feixe existe mudança de nível de tensão.
4- Reset o PIC com o botão do lado esquerdo do módulo transmissor
5- Com um voltímetro, verifique se o cabo serial tem continuidade nos cabos
6- Ligue o cabo serial no módulo receptor e no computador
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7- Com ajuda de uma lanterna de luz infraverleho e do programa de
comunicação serial (Hyperterminal) verifique se a interfase do max232
está funcionando
8- Alinhe o módulo receptor
9- Verifique se o transmissor está enviando os pulsos certos pelo LD271 ao
resetar o PIC o software deve mostrar a palavra “INICIO”
10- Teste o circuito de variação de velocidade ligando o motor na tomada
(127V) e girando o potenciômetro de controle.
Software de leitura
Este software foi desenvolvido única e exclusivamente para o
monitoramento da plataforma de rotação. Nele são amostrados os cálculos da
velocidade, a freqüência de rotação o ângulo e a força que está atuando sobre a
haste.
Para uma leitura coerente dos dados, verifique se o RadioButto do peso do
objeto escolhido, coincide com aquele que está na ponta das hastes.
O software mostrara numérica e graficamente o que está acontecendo na
plataforma enquanto aumenta ou diminui a velocidade.
Monitoramento e controle de um corpo em movimento circular
Autor: Judy Lorena Huertas
Email: [email protected]
Orientador: Prof. José Carlos da Cunha
Email: [email protected]
UnicenP
Centro Universitário Positivo
Engenharia da Computação
Curitiba 6 de Novembro de 2006
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MANUAL DE USUARIO
Monitoramento e Controle das Forças Atuantes num Corpo em Movimento Circular
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NOTIFICAÇÂO
Este manual, junto com todas as informações técnicas, imagens, ilustrações e
software são de propriedade única do autor. Não pode ser reproduzido nem
copiado sem a autorização do mesmo. Sujeito a mudanças sem aviso prévio do
autor.
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O Kit é um sistema que contempla uma interface gráfica que permitirá, a
partir de sensores de inclinação, velocidade e força, dentre outros, a
interpretação e análise de um corpo em movimento circular .
Neste manual, são disponibilizadas informações sobre o funcionamento
da plataforma e do software, com o objetivo de um melhor entendimento nos
experimentos de física.
Descrição
• Plataforma com motor elétrico
• Módulo transmissor
• Kit de Pesos com massas diferentes para testes
• Caixa protetora em madeira com tampa de proteção em acrílico
• Base em madeira lateral para diminuição de vibração
• Módulo Receptor
• Cabo Serial
• Módulo de variação de velocidade
• Software de monitoramento. Para a execução do software é necessário
que a porta serial com1 esteja livre para uso.
Utilização
1. Você receberá a plataforma pronta para uso, certifique-se que todas as
partes estejam posicionadas nos lugares certos da plataforma.
2. ligue cada um dos módulos de transmissão e recepção de dados. Você
saberá que estão ligados se o LED do lado direito estiver aceso.
3. Ligue o cabo serial no módulo receptor e na CPU do seu computador
4. Execute o programa
5. Coloque os pesos nas hastes e verifique se é o mesmo que está marcado
no software. Se for diferente mude
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6. Ligue a plataforma na tomada (127V)
7. Pressione “MOSTAR” para começar com a aquisição dos dados
8. Varie a velocidade e veja o que está acontecendo.
Manutenção
Os módulos de aquisição e recepção dos dados são alimentados com
bateria 9V. Verifique se cada um dos módulos está ligado para isso o led do lado
direito dos módulos deve estar aceso se não estiver, troque a bateria.
Resete o módulo transmissor com o botão do lado esquerdo e verifique
se foi mostrada a palavra “inicio “ na tela, se não estiver, alinhe o receptor na
base se madeira e assegure-se que o cabo serial esteja bem conectado. Resete
novamente.
Teste o circuito de variação de velocidade ligando o motor na tomada (127V) e
girando o potenciômetro de controle.
Monitoramento e controle de um corpo em movimento circular
Autor: Judy Lorena Huertas
Email: [email protected]
Orientador: Prof. José Carlos da Cunha
Email: [email protected]
UnicenP
Centro Universitário Positivo
Engenharia da Computação
Curitiba 6 de Novembro de 2006