Campus Alegrete

Relatrio Final de Projeto de Pesquisa

Projeto de um Sensor Magntico para Segurana Eletrnica

Professor Lucas Compassi Severo

Alegrete, 19 de Janeiro de 2015.

Dados de Identificao

O projeto foi executado na Universidade Federal do Pampa Campus Alegrete

entre os meses de Maio a Dezembro de 2014. O projeto possui registro no Sistema de

Informao de Projetos de Pesquisa, Ensino e Extenso (SIPPEE) com nmero 01.034.14.

A Equipe executora foi formada pelos seguintes membros:

Prof. Lucas Compassi Severo, coordenador do projeto com dedicao

de 4 horas semanais (Unipampa);

Me. Eng. Bruno de Souza Muswieck, integrante do projeto, dedicao

de 2 horas semanais (Empresa Eletroeste);

Douglas Willian Soares Rodrigues, aluno voluntrio com dedicao de

10 horas semanais (Unipampa);

Cristiane Gomes Schmitt, aluna voluntria com dedicao de 10 horas

semanais (Unipampa).

1. Projeto

Este projeto intitulado Projeto de um Sensor Magntico para Segurana Eletrnica

teve a execuo vinculada ao Grupo de Arquitetura de Computadores e Microeletrnica

(GAMA) da Unipampa Campus Alegrete. A execuo deste projeto est inserida na linha

de pesquisa de Projeto de Circuitos Eletrnicos e foi executado durante os meses de Maio

a Dezembro de 2014, utilizando as estruturas do laboratrio de pesquisa do GAMA e do

laboratrio de eletrotcnica. O projeto teve parceria com a Empresa Eletroeste da Cidade

de Uruguaiana-RS que forneceu todos os componentes eletrnicos e matrias necessrios

para o desenvolvimento do projeto. O projeto no teve bolsistas, mas contou com a

participao de dois alunos voluntrios do curso de graduao em Engenharia Eltrica.

O objetivo do projeto tratou-se de desenvolver um sensor magntico de estado

slido para utilizao em segurana eletrnica. Este sensor utilizado em centrais de

alarmes para detectar a entrada de pessoas no autorizadas em portas e janelas. Conforme

mostrado na Figura 1 para a proteo do acesso em uma porta. Normalmente, este sensor

utilizado para preservar bens de alto valor agregado, com isso deve apresentar alta

confiabilidade, durabilidade e no possuir disparos falsos.

Figura 1 Utilizao do sensor magntico em centrais de alarmes

Os sensores convencionais so constitudo de uma parte fixa e outra mvel. A

parte fixa normalmente composta por uma chave magntica (reed-switch) enquanto que

a parte mvel composta por um im. O seu funcionamento apresenta uma grande

simplicidade de forma que quando o im estiver posicionado prximo chave magntica

a mesma encontra-se em estado fechado (baixa impedncia). Ao afastar o im a chave

magntica abre (alta impedncia) e o alarme acionado. Este sensor amplamente

utilizado em centrais de alarmes residenciais e industriais. Porm, as aplicaes em que

as portas ou janelas que contm o sensor magntico no so abertas com frequncia

apresentam um certo problema. O campo magntico do im posicionado sobre a chave

magntica por muito tempo, faz com que a mesma deixe de funcionar e no abra ao afastar

o im, devido magnetizao. Este efeito acontece com certa frequncia em aplicaes

rurais e foi relatado algumas vezes pela empresa Eletroeste que trabalha no

desenvolvimento de circuitos eletrnicos para aplicaes na agricultura. Esta falha

inaceitvel em sistemas de alarmes, pois tornam a proteo de bens vulnervel falhas.

Alm disso, ambientes de alta humidade tendem danificar facilmente os sensores reed-

switch, causando a rpida deteriorao da parte sensora.

Neste intuito surgiu a necessidade do desenvolvimento de um sensor magntico

que no apresente problemas devido ao tempo de utilizao e humidade do ambiente.

Desta forma, este projeto teve como objetivo principal fazer alguns estudos e anlises

visando o desenvolvimento de um novo sensor magntico, compatvel com as centrais de

alarme convencionais e que no apresentem tal caracterstica de falha. Para este projeto

foram utilizados circuitos eletrnicos que utilizam o efeito hall (estado slido) para evitar

a utilizao de peas mveis, como as chaves magnticas.

At onde se sabe, no existe comercialmente um sensor magntico com estas

caractersticas que seja compatvel com centrais de alarme convencionais. Desta forma

foi proposta a topologia mostrada na Figura 2. A central de alarme se conecta ao sensor

atravs de um cabo de 4 vias. Duas vias so utilizadas para fazer a alimentao do sensor

atravs dos sinais VCC e GND. A principal parte do sensor trata-se do circuito que faz a

medio do campo magntico para detectar a presena e o afastamento do m. Este

circuito formado por um circuito sensor de efeito hall modelo AH180N da empresa

Diodes. Este sensor alimentado com tenso de 3 a 5,5 V. Porm, as centrais de alarme

convencionais podem fornecer tenses de 12 a 24 V. Desta forma, foi necessrio construir

um circuito regulador de tenso que representado na Figura 2 pelo bloco Fonte DC.

Devido s caractersticas do sensor AH180N pode-se utilizar um regulador formado por

um diodo zener. Com isso, foi projetado o circuito mostrado na Figura 3 utilizando um

resistor (R) de 1 k e um diodo zener de 4,7 V e potncia de 500 mW. Este circuito

fornece ao sensor uma tenso de 4,7 V com regulao de 10%, que est dentro da faixa

de tenso de operao do sensor (3 a 5,5 V).

Figura 2 Topologia de circuito para o sensor magntico.

Figura 3 Circuito regulador de tenso.

O sensor de efeito hall possui em sua sada uma transistor em srie com um resistor

de pull-up. Esta combinao faz com que a sada possua tenso nula (0 V) quando o m

est presente e uma tenso prxima do valor de alimentao (4,7 V) quando o m no

est prximo ao sensor. A central de alarme possui a deteco do estado do sensor atravs

da anlise da impedncia do circuito conectado aos fios Sensor I/O. Caso o circuito

apresente uma impedncia pequena (circuito fechado), a central interpreta como uma

operao normal, onde o sensor detecta o m. Caso a impedncia seja alta (circuito

aberto) a central identifica um sinistro e passa a disparar o circuito de alarme (sirene e

comunicaes de eventos). Como h uma diferena entre a sada do sensor e da forma de

deteco da central foi necessrio desenvolver um circuito de acionamento. Este circuito

composto por trs transistores de uso geral e trs resistores de polarizao, mostrados

na Figura 4. Os transistores Q3 e Q4 fazem a inverso de lgica entre os estados do sensor

e da central de alarme, enquanto que o transistor Q2 funciona como impedncia varivel

vista pela central. Se o ma detectado pelo sensor de feito hall a base de Q2 possui

potencial baixo o suficiente para que o transistor entre em conduo e apresente uma

baixa impedncia entre os terminais de Coletor e Emissor. Sem a presena do m o sinal

presente na base de Q2 alto o suficiente para que o transistor esteja em corte e apresente

uma alta impedncia.

Figura 4 Circuito de acionamento.

2. Resultados Obtidos

O circuito apresentado na seo anterior foi analisado atravs de simulao

eltrica, onde os resultados atingiram aos critrios desejados pelo sensor. Aps a primeira

fase foram encontrados componentes comerciais para fazer a montagem do circuito. Os

componentes foram fornecidos pela empresa Eletroeste. Em funo da limitao de

tamanho do circuito, que deve ser inserido dentro da mesma caixa de um sensor

convencional, foram utilizados componentes eletrnicos com encapsulamento SMD

(Surface-mount Device). Alm disso, foi necessrio utilizar um substrato (tipo FR4) com

dois nvel de metal (superior e inferior). Para isso, foi realizado o layout do circuito e a

placa de circuito impresso (PCI) foi fabricada atravs de uma fresadora de PCI, presente

no laboratrio de eletrotcnica da Unipampa. A placa final do projeto mostrada na

Figura 5. As partes (a) e (b) mostram as vias superior e inferior da placa,

conectadas aos cabos de interface com a central de alarme. A parte (c) desta figura, mostra

a imagem do sensor inserido dentro de uma caixa padro para sensores convencionais. A

placa do sensor desenvolvido possui largura de 8,93 mm e comprimento de 30,64 mm.

(a) (b) (c)

Figura 5 Placa do sensor final fabricado.

Aps a montagem do sensor, foram feitas algumas rodadas de teste para verificar

a operao e o comportamento do sensor. Para isso, foram utilizados os equipamentos da

Unipampa e da Eletroeste. A Figura 6 mostra algumas imagens dos testes realizados no

sensor. A parte (a) mostra a anlise da tenso de alimentao do sensor, onde foi ajustado

o valor de tenso de alimentao de 5 a 24 V com passos de 0,5 V. Em cada tenso o m

foi aproximado e afastado do sensor e o funcionamento do sensor foi testado. Este teste

mostrou que o sensor opera adequadamente com tenses de 10 a 24 V, dentro da faixa

das centrais de alarme convencionais (12 a 24 V). Nesta anlise foram realizadas

medies da potncia dissipada pelo sensor e da temperatura do circuito. A Tabela 1

mostra alguns dos valores medidos. Todos os valores so inferiores potncia mxima

do circuito regulador de tenso (500 mW) e a temperatura de operao inferior ao valor

mximo especificado pelo fabricante dos dispositivos semicondutores.

Tabela 1 Medio de tenso, potncia e temperatura de operao do sensor

Tenso de alimentao (V) Potncia (mW) Temperatura (C)

10 33,0 24,3

12 75,6 25,5

15 138,0 27,3

18 219,6 27,8

21 321,3 30,0

24 439,2 38,2

(a) (b)

(c)

Figura 6- Testes realizados no sensor projetado. (a) medio da tenso de alimentao e faixa de

operao, (b) teste de humidade e (c) teste de distncia de deteco de campo magntico.

No teste de humidade mostrado na Figura 6 (b), o sensor desenvolvido foi inserido

dentro da caixa plstica padro, onde o mesmo foi selado com resina epxi. Aps isso o

sensor foi imerso em gua, onde permaneceu por 24 horas. Durante este perodo foi

verificado algumas vezes o funcionamento do sensor. Durante as 24 horas de teste o

sensor manteve-se em funcionamento e no apresentou problemas. A Figura 6 (c) mostra

a imagem do teste de distncia de deteco. Neste teste o m foi aproximado e afastado

do sensor, onde foi medida a distncia entre o sensor e m. Em cada teste a distncia foi

aferida com um paqumetro. A distncia de mudana de estado ao afastar o sensor

apresentou um valor de 2,1 cm enquanto que ao aproximar a distncia de deteco foi de

1,5 cm. A diferena entre a distncia de afastamento e de aproximao ocorreu devido

implementao de controle do sensor ser realizada com histerese. Alm dos testes

mencionados, foram realizados testes do sensor em uma central de alarme convencional.

Os testes foram satisfatrios, pois o circuito substituiu o sensor convencional em uma

instalao. Durante o perodo de testes nenhuma falha foi encontrada.

Como resultados de pesquisa foram feitas duas publicaes em eventos regionais:

Feira de Prottipos do Congresso Regional de Iniciao Cientfica e Tecnolgica

em Engenharia (CRICTE) 2014, Alegrete RS.

Salo Internacional de Ensino, Pesquisa e Extenso (SIEPE) 2014, Bag RS.

3. Concluses e perspectivas

Este projeto foi motivado pela ocorrncia de problemas na utilizao dos sensores

magnticos convencionais pela empresa Eletroeste. Visando a resoluo deste problema,

foi desenvolvida uma nova topologia de sensor magntico de estado slido, utilizando um

sensor de efeito hall. O circuito desenvolvido atendeu s especificaes desejadas e teve

o seu funcionamento adequado para substituir o sensor convencional. O circuito

desenvolvido bastante simples e compatvel com centrais de alarme convencionais. O

sensor desenvolvido foi apresentado em dois eventos regionais de pesquisa, onde foram

realizadas algumas discusses e novas ideias surgiram.

Este projeto de pesquisa tratou-se de uma anlise inicial do sensor, visando um

melhor entendimento de sensores de estado slido para segurana eletrnica. Todos os

resultados gerais e resultados esperados neste projeto foram cumpridos.

A maior dificuldade encontrada no projeto de deteve aos entraves e demora para

a compra de componentes eletrnicos atravs do processo de compra da Unipampa. Desta

forma, a sada foi estabelecer uma parceria com a empresa Eletroeste para que os

componentes fossem doados universidade.

Como trabalhos futuros, espera-se registrar na Unipampa um novo projeto de

maior amplitude com uma cooperao entre a universidade e a empresa Eletroeste para

que sejam feitas outros estudos e formas de desenvolvimento deste sensor. Com isso,

pretende-se buscar recursos com agncias de fomento externas universidade. Alm

disso, uma anlise comercial pode ser feita, visando a reduo dos custos e possvel

insero do produto no mercado. Neste ltimo, pretende-se utilizar a estrutura do Parque

Cientfico e Tecnolgico do Pampa (PAMPATEC) para montar um modelo de negcio

em parceria com a empresa Eletroeste.

Referncias bibliogrficas

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