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Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Alex Makoto Kuroishi

Projeto e desenvolvimento de um medidorde fator de potência com Arduino UNO e

ARM Cortex-M4FMOn

Londrina2018

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica


Projeto e desenvolvimento de um medidor de fatorde potência com Arduino UNO e ARM

Cortex-M4FMOn

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Prof. Dr. ErnestoFernando Ferreyra Ramírez intitulado “Projeto e desenvolvimentode um medidor de fator de potência com Arduino UNO e ARMCortex-M4FMOn” e apresentado à Universidade Estadual de Lon-drina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção doTítulo de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez

Londrina2018

Ficha Catalográfica

Alex Makoto KuroishiProjeto e desenvolvimento de um medidor de fator de potência com ArduinoUNO e ARM Cortex-M4FMOn - Londrina, 2018 - 91 p., 30 cm.Orientador: Prof. Dr. Ernesto Fernando Ferreyra Ramírez1. Fator de Potência. 2. Arduino Uno. 3. ARM Cortex-M4. 4. Circuitos decondicionamentos.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II.Projeto e desenvolvimento de um medidor de fator de potência com ArduinoUNO e ARM Cortex-M4FMOn.


Projeto e desenvolvimento de um medidorde fator de potência com Arduino UNO e

ARM Cortex-M4FMOn

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso deEngenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharelem Engenharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Prof. Dr. Ernesto Fernando FerreyraRamírez

Universidade Estadual de LondrinaOrientador

Prof. Dr. Aziz Elias Demian JuniorUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Dr. José Alexandre de FrançaUniversidade Estadual de Londrina

Londrina, 17 de dezembro de 2018

Dedico este trabalho aos meus pais, Shigueo e Dirce,a minha imrã Alini, a minha namorada Paula,

e todos os amigos que incentivaram e ajudarampara que fosse possível a minha formação.

Agradecimentos

Primeiramente agradeço a Deus por ter me dado forças para superar todas as difi-culdades. Aos meus pais e irmã, pelo amor, incentivo e apoio incondicional. A minhanamorada Paula pelo companheirismo desses anos juntos.

Ao meu orientador Prof. Dr. Ernesto Ferreyra Ramírez, pelo suporte, correções eincentivos para que esse trabalho pudesse ser feito.

Agradeço ao meu amigo Renê Menck pelo suporte oferecido durante toda a graduaçãoao qual tive praticamente uma segunda casa. Ao meu amigo Flavio Taketone por ajudaremno projeto. Aos meus amigos Fernando Sbrogio e Vanessa Dias por incontáveis dias, noitese madrugadas de estudo juntos. A muitos outros amigos que não foram citados mas queajudaram no decorrer do curso.

Também meus agradecimentos aos técnicos de laboratório do DEEL, Luis CarlosMathias e Luiz Fernando Schmidt e que sempre me ajudaram em todos os projetos du-rante o curso. A secretária dos colegiados Valéria que socorreu em muitos momentos dedesespero.

Ao Prof. Dr. Newton da Silva que auxilio e sanou diversas duvidas durante o decorrerdo projeto.

A esta Universidade, seu corpo docente, direção e administração que proporcionaramtodo o meu aprendizado e crescimento.

"Com grande poder vem grande responsabilidade."(Stan Lee)

Alex Makoto Kuroishi. Projeto e desenvolvimento de um medidor de fator depotência com Arduino UNO e ARM Cortex-M4FMOn. 2018. 91 p. Trabalhode Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica - Universidade Estadual de Londrina,Londrina.

ResumoDevido a necessidade cada vez maior de melhorar a qualidade da dos energia consumida,é imprescindível o desenvolvimento de equipamentos de medição. Por isso, a realizaçãodeste projeto eletrônico versa sobre a escolha do melhor microcontrolador para medir oFator de Potência no que tange o seu custo e desempenho. Realizamos neste trabalhoa montagem de dois medidores de Fator de Potência, um utilizando o Arduino Uno eo outro com o ARM Cortex-M4. Foram selecionados esses dois microcontroladores porserem distintos com relação ao custo, modo de operação e desempenho. Essa diferenciaçãose evidencia ao notar que o Arduino suporta uma tensão de 5V enquanto o ARM opera em3.3V. Outro fator a ser pontuado é o desempenho de cada um, sendo que o ARM apresentadesempenho superior em seu processador e periféricos, possuindo, no entanto, um custoelevado. Para a realização deste projeto foram montados circuitos de condicionamentopara cada microcontrolador explorando suas diferenças para otimizar seu desempenho,utilizado, para tal, o mesmo algoritmo na programação de ambos. Após finalizados osmedidores foram realizadas medições para comparação dos resultados obtidos em cadaplataforma e comparados a um medidor comercial. O resultado obtido no Arduino teveuma diferença máxima de 1,554% em relação ao medidor comercial D52-2048, O ARM-Cortex teve uma diferença máxima de 1,446% em relação ao medidor. Comparando osresultados do Arduino e do ARM-Cortex ocorreu uma divergência máxima de 1,232%,considerando a diferença de custo, o uso do Arduino é vantajoso.

Palavras-Chave: 1. Fator de Potência. 2. Arduino Uno. 3. ARM Cortex-M4. 4.Circuitos de condicionamentos.

Alex Makoto Kuroishi. Power Factor Meter with ArduinoUNO and ARMCortex-M4F. 2018. 91 p. Monograph in Electrical Engineering - Londrina State University,Londrina.

AbstractDue to the increasing need to improve the quality of the energy consumed, it is essential todevelop measuring equipment. Therefore, the realization of this electronic project is aboutchoosing the best microcontroller to measure the Power Factor in terms of its cost andperformance. In this work we have the assembly of two Power Factor meters, one usingthe Arduino Uno and the other with the ARM Cortex-M4. These two microcontrollerswere selected because they differed in cost, mode of operation and performance. Thisdifferentiation is evidenced by the fact that the Arduino supports a voltage of 5V while theARM operates at 3.3V. Another factor to be punctuated is the performance of each one,being that the ARM presents superior performance in its processor and peripherals, yet ithas a high cost. In order to carry out this project, conditioning circuits were set up for eachmicrocontroller by exploiting their differences to optimize their performance, using thesame algorithm in both programming. After the meters were finished, measurements weremade to compare the results obtained in each platform and compared to a commercialmeter.The result obtained in the Arduino had a maximum difference of 1.554 % in relationto the commercial meter D52-2048. The ARM-Cortex had a maximum difference of 1.446% in relation to the meter. Comparing the Arduino and ARM-Cortex results showed amaximum divergence of 1.232 %, considering the difference in cost, the use of Arduino isadvantageous.

Key-words: 1. Power factor. 2. Arduino Uno. 3. ARM Cortex-M4. 4. ConditioningCircuits .

Lista de ilustrações

Figura 1 – Medidor eletromecânico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 2 – Ondas de tensão (V) e corrente (I) em fase com fator de potência ideal

(FP=1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Figura 3 – Potência Ativa (kW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Figura 4 – Potência Reativa (kVAr) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20Figura 5 – Triângulo Retângulo de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22Figura 6 – Arduino Uno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Figura 7 – ARM stm32F401 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 8 – Circuito de ganho com AmpOp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Figura 9 – Circuito de ganho com transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 10 – Esquemático do Transformador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Figura 11 – Circuito Divisor de Tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 12 – Sinais com offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Figura 13 – Configuração interna do Opto acoplador genérico. . . . . . . . . . . . . 30Figura 14 – Circuito básico para uso do IL300. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Figura 15 – Símbolo Zener. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 16 – Circuito utilizando diodo Zener. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31Figura 17 – Circuito grampeador de tensão bipolar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 18 – Circuito com um diodo Zener com tensão bipolar. . . . . . . . . . . . . 32Figura 19 – Diagrama de blocos de uma fonte DC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32Figura 20 – Retificador de onda completa com 2 diodos e tap central. . . . . . . . . 33Figura 21 – Retificador de onda completa com 4 diodos. . . . . . . . . . . . . . . . 33Figura 22 – Forma de onda filtrada por um filtro capacitivo. . . . . . . . . . . . . . 34Figura 23 – Circuito de regulação com valor de saída fixa. . . . . . . . . . . . . . . 35Figura 24 – Circuito de condicionamento inicial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36Figura 25 – Montagem do circuito de condicionamento inicial. . . . . . . . . . . . . 37Figura 26 – Osciloscópio do circuito de condicionamento inicial. . . . . . . . . . . . 37Figura 27 – Modo de usar o ensor de corrente SCT-013 . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 28 – Sensor de corrente SCT-013 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38Figura 29 – Circuito interno do sensor de corrente SCT-013 . . . . . . . . . . . . . 39Figura 30 – Circuito de condicionamento sem regulagem de ganho e offset. . . . . . 39Figura 31 – Resultado da simulação do circuito de condicionamento sem regulagem

de ganho e offset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Figura 32 – Funcionamento do diodo Zener em laboratório. . . . . . . . . . . . . . 40

Figura 33 – Montagem do circuito da Figura 30 em protoboard. . . . . . . . . . . . 41Figura 34 – Resultado do circuito da Figura 30 em protoboard. . . . . . . . . . . . 41Figura 35 – Imagem da PCI do circuito da Figura 30. . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 36 – Imagem 3D da PCI do circuito da Figura 30. . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 37 – Foto da primeira placa do projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Figura 38 – Circuito de condicionamento com regulagem de ganho. . . . . . . . . . 43Figura 39 – Imagem da PCI do circuito da Figura 38. . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 40 – Imagem 3D da PCI do circuito da Figura 38. . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 41 – Foto da segunda placa do projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44Figura 42 – Resultado do circuito da Figura 38 com entrada 127V. . . . . . . . . . 45Figura 43 – Resultado do circuito da Figura 38 com entrada 12V. . . . . . . . . . . 45Figura 44 – Resultado do sensor de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 45 – Circuito de condicionamento final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 46 – Imagem da PCI do circuito da Figura 45. . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 47 – Imagem 3D da PCI do circuito da Figura 45. . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 48 – Foto placa final. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Figura 49 – Etapa de retificação e filtragem da onda. . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 50 – Conjunto de reguladores de tensão para ±12V . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 51 – Regulador de tensão para 5V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48Figura 52 – Circuito da fonte simétrica com saídas -12V, +12V e +5V. . . . . . . . 49Figura 53 – Resultado da simulação do transformador e ponte retificadora. . . . . . 49Figura 54 – Resultado da simulação na saída. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 55 – Imagem da PCI do circuito da Figura 52. . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 56 – Imagem 3D da PCI do circuito da Figura 52. . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 57 – Foto do circuito da fonte de alimentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Figura 58 – Fluxograma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 59 – Fluxograma do início. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 60 – Fluxograma da aquisição de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52Figura 61 – Fluxograma do processamento de dados. . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Figura 62 – Fluxograma da impressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 63 – Foto da montagem para realizar a calibração. . . . . . . . . . . . . . . 55Figura 64 – Foto do osciloscópio com o resultado de 1 medição. . . . . . . . . . . . 55Figura 65 – Sensor de tensão e corrente isolado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Figura 66 – Configuração do sinal de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 67 – Resultado impresso em um LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 68 – Resultado impresso na saída serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 69 – Resultado da medição do ventilador com Arduino. . . . . . . . . . . . . 62Figura 70 – Resultado da medição do filtro de aguá com Arduino. . . . . . . . . . . 63Figura 71 – Resultado da primeira medição em carga resistiva com ARM. . . . . . 63

Figura 72 – Resultado da medição do ventilador com ARM. . . . . . . . . . . . . . 64Figura 73 – Resultado da medição do filtro de aguá com ARM. . . . . . . . . . . . 64

Lista de tabelas

Tabela 1 – Tabela da variação da tensão e o ganho para 127V - 5V . . . . . . . . . 56Tabela 2 – Tabela da variação da tensão e o ganho par 127V - 3, 3V . . . . . . . . 57Tabela 3 – Tabela da variação da corrente e o ganho para 1A - 0, 25V . . . . . . . . 58Tabela 4 – Tabela da variação da tensão e o ganho para 1A - 0, 165V . . . . . . . . 59Tabela 5 – Tabela com o desvio Médio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Tabela 6 – Tabela das medições da fonte de alimentação. . . . . . . . . . . . . . . 60Tabela 7 – Tabela do fator e da potencia real medida pelo Arduino. . . . . . . . . 65Tabela 8 – Tabela do fator e da potencia real medida pelo ARM Cortex. . . . . . 65Tabela 9 – Tabelado fator e da potencia real medida pelo D52-2048. . . . . . . . . 65Tabela 10 – Tabelado de comparação do FP entre Arduino e ARM Cortex. . . . . . 66Tabela 11 – Tabelado de comparação do FP entre o protótipos e o medidor comercial. 66Tabela 12 – Tabelado de custo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Lista de Siglas e Abreviaturas

3D Três dimensõesA AmperAC Corrente alternadaADC Conversor analogico digitalCI Circuito integradoDEEL Departamento de Engenharia Eletrica de LondrinaHz HertzPCI Placa de circuito impressos segundoSCT Sensor de corrente alternadaUEL Universidade Estadual de LondrinaV VoltsAmpOp Amplificador OperacionalARM Advanced RISC MachineBJT Transístor de Junção BipolarDC Corrente diretaFP Fator de potênciaIDE Ambiente de Desenvolvimento IntegradoLED diodo emissor de luzP Potencia realPWM Modulação de Largura de PulsoQ Potencia reativaRISC Computador com um conjunto reduzido de instruçõesS Potencia aparenteUSB Porta UniversalVA Volt-AmpereVAr Volt-Ampere reativoW watt

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.4 Estrutura do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.1 Fator de Potência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2 Microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.1 Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.2 ARM Cortex-M4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.3 Circuito de Condicionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.3.1 Atenuadores e Amplificadores com AmpOp . . . . . . . . . . . 262.3.2 Atenuadores e Amplificadores com Transformador . . . . . . . 272.4 Circuito de Proteção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4.1 Opto Acopladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4.2 Diodo Zener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5 Fonte de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.5.1 Retificador de Onda Completa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5.2 Filtro Capacitivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5.3 Reguladores de Tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3 DESENVOLVIMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1 Circuito de Condicionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1.1 Protótipo Inicial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363.1.2 Sensor de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.1.3 Desenvolvimento do Circuito de Condicionamento . . . . . . . 393.2 Fonte de Alimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3 Desenvolvimento do Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.3.1 Início . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513.3.2 Aquisição de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.3.3 Processamento de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.3.4 Impressão de Dados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

ANEXOS 71

ANEXO A – DATASHEET SCT013-100 . . . . . . . . . . . . 72

ANEXO B – DATASHEET D52-2048 . . . . . . . . . . . . . . 73

APÊNDICES 75

APÊNDICE A – MÁSCARA DO PRIMEIRO CIRCUITODE CONDICIONAMENTO. . . . . . . . . . 76

APÊNDICE B – MÁSCARADO SEGUNDO CIRCUITO DECONDICIONAMENTO. . . . . . . . . . . . 77

APÊNDICE C – MÁSCARA DO CIRCUITO DE CONDI-CIONAMENTO FINAL. . . . . . . . . . . . 78

APÊNDICE D – MÁSCARA DA FONTE DE ALIMENTA-ÇÃO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

APÊNDICE E – CÓDIGO PARA ARDUINO COM IM-PRESSÃO EM LCD . . . . . . . . . . . . . . 81

APÊNDICE F – CÓDIGO PARA ARDUINO . . . . . . . . 84

APÊNDICE G – CÓDIGO PARA ARM CORTEX . . . . . 86

16

1 Introdução

No decorrer da evolução dos sistemas elétricos, sempre houve uma grande preocupaçãocom a medição das grandezas envolvidas. Um marco histórico foi a invenção dos medidoresde energia elétrica em corrente alternada por Shallenberger, no século 19. E desde essemomento, a instrumentação de medição tem um papel fundamental nas atividades depesquisa e desenvolvimento assim como nas relações comerciais.(VIEIRA, 2008)

Hoje, a grande maioria dos medidores são eletromecânicos (Figura 1), mas existe umaforte tendência à substituição progressiva destes por medidores digitais decorrente, prin-cipalmente, à possibilidade de leitura remota da energia consumida bem como a aplicaçãode uma tarifação diferenciada comandada pela central de distribuição ou faixa horária.(VIEIRA, 2008 apud COPEL, 2008) (VIEIRA, 2008 apud Edgard Franco, 2008)

Figura 1 – Medidor eletromecânico

Fonte:(Tecnologia esperta Co. de L & de J, 2014)

É interessante ressaltar que a ascensão da eficácia da energia elétrica acarretou oaumento na busca por medidores de potência, no intuito de melhorar a qualidade daenergia do sistema. Desta forma, é importante o desenvolvimento de instrumentos capazesde medir a qualidade, como, por exemplo, o Fator de Potência (FP). A Figura 2 mostraum FP ideal.

Figura 2 – Ondas de tensão (V) e corrente (I) em fase com fator de potência ideal (FP=1).

Fonte: Própria

A legislação brasileira determina que o FP deve ser mantido o mais próximo possívelda unidade, mas permite um valor mínimo de 0,92. Está previsto em lei um acréscimo

Capítulo 1. Introdução 17

monetário na conta caso o FP saia deste limite. Além disso, um FP correto representaum fator de economia pela diminuição das perdas por efeito joule nos condutores dainstalação. (COPEL, 2017) (ANEEL, 2012)

Logo, em alguns ramos de atividade, como as industriais, os impactos econômicosdevido a uma má qualidade da energia podem ser enormes.

Portanto, é imprescindível o desenvolvimento de novas técnicas e equipamentos paramedições de forma mais simples e prática. Um bom exemplo são os modelos que iremosdesenvolver neste projeto: um utilizando o Arduino Uno e o outro o ARM Cortex-M4F.

1.1 Motivação

Tendo em vista o desenvolvimento de um projeto que abrange varias áreas da engenha-ria elétrica, colocando em teste todo conhecimento adquirido no decorrer da graduação,além de um desafio pessoal ao ter como um dos fundamentos a operação com microcon-troladores.

Outro fator decisivo é explorar as limitações do microcontrolador Arduino.

1.2 Justificativa

No meio acadêmico o sistema micro-controlado Arduino acaba sendo um pouco desva-lorizado dentre aos outros microcontroladores devido as suas limitações estruturais. Nesseestudo queremos mostrar que com menor custo podemos desenvolver um protótipo de ummedidor de fator de potência tão eficaz quando um produzido com um microcontroladormais caro e com mais especificações, no caso o ARM Cortex-M4F.

1.3 Objetivos

1.3.1 Objetivo Geral

Objetivo geral desse trabalho é desenvolver um medidor de fator de potência tantocom o Arduino como com o ARM.

1.3.2 Objetivos Específicos

Nesse projeto tivemos como objetivos específicos:

• Monitorar o fator de potência com base no microcontrolador Arduino e ARM;

• Comparar os resultados de ambos os microcontroladores;

Capítulo 1. Introdução 18

1.4 Estrutura do Trabalho

O trabalho foi organizado em cinco tópicos principais:

1. Introdução: Mostra a contextualização do trabalho abordado

2. Fundamentação Teórica: Apresenta conceitos teóricos necessário para o entendi-mento do trabalho.

3. Desenvolvimento: Descreve todas as etapas realizadas no processo de desenvolvi-mento do projeto.

4. Resultados: Apresenta todos finais da montagem do projeto além dos resultados demedição.

5. Discussões e Conclusões: Apresenta as considerações finais além dos possíveis tra-balhos futuros.

19

2 Fundamentação TeóricaEste capítulo aborda os principais fundamentos teóricos com uma breve revisão sobre

o FP, os microcontroladores utilizados nesse projeto, circuito de condicionamento, circuitode proteção e fonte de alimentação.

2.1 Fator de Potência

A grande maioria das cargas das unidades consumidoras utilizam energia reativa in-dutiva, como por exemplo os motores, transformadores, entre outros. As cargas indutivasnecessitam de campo eletromagnético para funcionarem, por isso sua operação precisa dedois tipos de potência: Potência Ativa (P) e a Potência Reativa (Q). Sendo elas definidascomo (WEG Automação, 2018):

Potência Ativa: também chamada de Potência Real, é a potência que realiza o trabalhogerando luz, calor, movimento, entre outros trabalhos. Recebe como notação a letra P eé medida em Watts (W).

Figura 3 – Potência Ativa (kW)

Fonte: (WEG Automação, 2018)

Essa potência (P) é calculada por:

P (t) = v(t) · i(t) (2.1)

Esse cálculo determina a potência ativa instantânea no tempo, tendo potência ativaigual a potência média e considerando um período de tempo T temos:

Pmedia = 1T

∫ t

0P (t)dt (2.2)

Pmedia = 1T

∫ t

0v(t) · i(t)dt (2.3)

Considerando uma análise com o sinal discreto temos:

Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20

Pmedia = 1N

N∑K=1

P (n) (2.4)

Pmedia = 1N

N∑K=1

V (n) · i(n) (2.5)

Potência Reativa: é a potência utilizada para criar e manter os campos eletromag-néticos das cargas indutivas. Além de circular entre a carga e a fonte de alimentação,originando perdas de potência nesses elementos, ela ocupa um espaço no sistema elétricoque poderia transportar energia ativa. Ela não produz trabalho; recebe como notação aletra Q e é medida em Volt-ampere reativo (VAr).

Figura 4 – Potência Reativa (kVAr)


Essa potência (Q) é calculada por:

Q(t) = v(t) · i(t) · sen(ϕ) (2.6)


Q = 1N

N∑K=1

Q(n) (2.7)

Q = 1N

N∑K=1

v(t) · i(t) · sen(ϕ) (2.8)

Potência Aparente: é o resultado do produto entre a tensão eficaz e a corrente eficaz; éa soma vetorial da Potência Ativa com a Potência Reativa. Recebe como notação a letraS e é medida em Volt Ampere (VA).

Essa potência (S) é calculada por:

S = vef · ief (2.9)

Considerando a forma senoidal, padrão da rede brasileira temos:


vef = Vp√2

(2.10)

ief = ip√2

(2.11)

S = Vp · ip2 (2.12)

Valor eficaz no tempo:

vef =√

1T

∫ t

0v(t)2dt (2.13)

ief =√

1T

∫ t

0i(t)2dt (2.14)

S = 1T

√∫ t

0v(t)2dt ·

∫ t

0i(t)2dt (2.15)


vef =

√√√√ 1N

N∑K=1

v(n)2 (2.16)

ief =

√√√√ 1N

N∑K=1

i(n)2 (2.17)

S = 1N

√√√√ N∑K=1

v(n)2 ·N∑

K=1i(n)2 (2.18)

As potências ativas (P) e reativas (Q) possuem uma relação geométrica entre elas,sendo usado um triângulo retângulo para representar essa relação, o qual leva a umasoma vetorial de ambos dando origem a Potência Aparente (S) que é medica em kVA . Oconjunto dessas três potências forma o chamado Triângulo de Potência. (WEG Automa-ção, 2018) (SOUZA, 2016)

A razão entre a potência ativa e a potência aparente é o Fator de Potência, que tambémpode ser definido pela relação do consumo de potência ativa (P) com potência reativa (Q).(Colnago et al., 2011)

FP = P

S= cosϕ (2.19)


Figura 5 – Triângulo Retângulo de Potência


FP = kW

kV A= cos

(arctg

kvar

kW

)(2.20)

FP = kWh√kWh2 + kvarh2 (2.21)

FP = P√P 2 +Q2 (2.22)

O valor cos ϕ é definido como Fator de Potência, que corresponde à relação entrea potência ativa e aparente. Quanto menor for este ângulo, menor será a componentereativa do sistema. (SOUZA, 2016)

O Fator de Potência é sempre um número adimensional entre 0 e 1. Quando é iguala 0, a energia armazenada é totalmente devolvida para fonte. Já quando é igual a 1,ela é toda consumida pela carga.(BENíTEZ, 2013) Sendo Assim, o Fator de Potênciaserve para indicar a eficiência do uso da energia. Um fator de potência alto indica umaeficiência energética alta; já um fator de potência baixo indica uma eficiência energéticabaixa.(WEG Automação, 2018)

2.2 Microcontroladores

Um microcontrolador é um circuito integrado constituído por um microprocessador,dispositivos periféricos essenciais (memória de programa e de dados) e também periféricosacessórios (interfaces de entrada e saída de dados). Os microcontroladores também sãodotados de diversos circuitos eletrônicos tais como: conversor analógico digital, temporiza-dores, comparadores, interfaces de comunicação, geradores de pulsos e outros.(SANTOS,2009)

Na realização de um projeto, a escolha do microcontrolador é fundamental, sendo quea escolha indevida do mesmo pode acarretar a falta de recursos para a sua conclusão assim


como a escolha de um microcontrolador superdimensionado pode acarretar em um gastodesnecessário.

No desenvolvimento deste estudo o microcontrolador deve possuir 2 portas com conver-sor ADC, um processador capaz de realizar todos os cálculos em um determinado tempoe uma porta de saída para impressão dos resultados. Para possuir um parâmetro de com-paração utilizamos dois tipos de microcontroladores distintos: ATMega328 disponível noArduino UNO e o ARM Cortex-M4.

2.2.1 Arduino

Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de placa única com hardwarelivre e código aberto (Open-Source).

Desenvolvida na cidade de Ivrea, Itália, em 2005, no Interaction Design Institute Ivreapela equipe de fundadores composta por Hernando Barragan, Massimo Banzi, DavidCuartielles, Dave Mellis, Gianluca Marino e Nicholas Zambetti, teve como objetivo criarum dispositivo que oferecesse controle integrado de projetos de design e interação, quefosse de baixo custo comparado aos sistemas de criação de protótipos disponíveis até omomento visando auxiliar o aprendizado da comunidade acadêmica. O nome Arduinona cidade de Ivrea é considerado comum em muitos comércios, sua principal avenida échamada “Via Arduino”, porém o nome do micro controlador é uma homenagem ao barem que o grupo se reunia após o expediente que possui o nome Arduino o qual, por suavez, é uma homenagem a um nobre que viveu na cidade nos séculos X e XI.

Segundo o site da plataforma:"O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica Open-Source que se baseia

em hardware e software flexíveis e fáceis de usar. É destinado a artistas, designers,hobbistas e qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos. OArduino pode sentir o estado do ambiente que o cerca por meio da recepção de sinaisde sensores e pode interagir com os seus arredores, controlando luzes, motores e outrosatuadores. O microcontrolador na placa é programado com a linguagem de programaçãoArduino, baseada na linguagem Wiring, e o ambiente de desenvolvimento Arduino, baseadono ambiente Processing. Os projetos desenvolvidos com o Arduino podem ser autônomosou podem comunicar-se com um computador para a realização da tarefa, com uso desoftware específico".(ARDUINO, 2015)

Em termos práticos podemos dizer que um Arduino é um pequeno computador comportas de entradas e saídas programáveis no qual pode-se ligar diversos periféricos comosensores, LED, push button, entre outros para executar diversas tarefas.

O Arduino é formado por dois componentes principais: Hardware e Software. Utili-zando a placa do Arduino Uno Rev3 como referência temos em seu Hardware(ARDUINO,2015):


• um micro controlador ATmega328 8 bits;

• 8 registradores de uso geral;

• uma memória flash de 32kB;

• SRAM de 2kB;

• EEPROM de 1kB;

• 14 pinos digitais (pinos 0-13) no qual cada um dos 14 pinos pode ser usado comoentrada ou saída;

• 6 pinos de entradas analógicas (pinos A0 - A5);

• Alimentação externa de 6-20V, porém o recomendado é operar na faixa de 7-12V.

Os pinos digitais operam a 5V e podem receber ou fornecer até 20mA como condiçãorecomendada e possui uma resistor de pull-up interno de 20-50k ohm. Os pinos 3, 5, 6, 9,10, e 11 também podem ser configurados como PWM de 8 bits; os pinos 2 e 3 podem serconfigurados como interrupções externas; e o pino 13 possui um LED ligado em série.

Seu software utiliza uma linguagem de programação modelada a partir da linguagemWiring. Ao exportar o código para a placa, o IDE do Arduino converte o código escritopara a linguagem C que posteriormente é transmitido ao compilador avr-gcc, que realizaa tradução dos comandos para uma linguagem de máquina.

Sua IDE possui uma linguagem própria baseada em C/C++. Apesar de apresentarum alto grau de abstração no processo, sua utilização não requer conhecimento prévio,facilitando seu uso.

A comunicação ocorre via serial (USB) com o computador, após realizar o Upload naplaca o Arduino pode operar desconectado do computador, porém uma fonte externa énecessária.

2.2.2 ARM Cortex-M4

Os processadores ARM, Advanced RISC Machine, possuem poucas instruções paraprogramação e são encontrados em muitos equipamentos eletrônicos em geral e em apli-cações industriais. Atualmente, os microcontroladores ARM são 90% dos processadoresembarcados RISC de 32 bits. (SOUZA, S. A., 2015)

A arquitetura ARM começou em 1984 com um projeto na Acorn Computers de Cam-brid, Inglaterra, dando origem ao ARM1 que foi finalizado em 1985.(GOMES P; LEITE,2005) Atualmente, a arquitetura do ARM possui diversas versões, mas até mesmo asversões antigas ainda são utilizadas e desenvolvidas.


Figura 6 – Arduino Uno

Fonte: (Arduino, 2015)

O processadores da família ARM Cortex-M são RISC de 32 bits e oferecem umavariedade de relações aos quesitos de eficiência energética, custo mais baixo, melhor per-formance e de facilidade do uso. (OTONI, 2013 apud ARM, 2013)

As principais características do ARM são(OTONI, 2013 apud GOMES P; LEITE,2005):

• Processador de 32 bits;

• 16 registradores de uso geral;

• Conjunto de instruções com uso de co-processadores;

• Intruções de três endereços;

• Capacidade de executar instruções de 16 bits usando a arquitetura Thumb;

• Baixo consumo de energia;

• Tamanho do núcleo reduzido;

• Até 16 co-processadores lógicos;

• Arquitetura LOAD/STORE : operações de processamento de dados não operamdiretamente com o conteúdo da memória, somente com o conteúdo dos registradores.

Devido a sua versatilidade de aplicações e de uso,o bom desempenho bem como pelasconstantes atualizações das versões lançadas pela ARM Ltda, a arquitetura da ARM écolocada em grande parte dos processadores de 32 bits. No caso desse projeto usamos oARM Cortex-M4F.


Figura 7 – ARM stm32F401

Fonte: Própria

2.3 Circuito de Condicionamento

Na realização de medições em ambientes ou estruturas, são necessários o uso de sen-sores ou transdutores de entrada. Esses sensores, por sua vez, necessitam de condiciona-mento de sinal para que o dispositivo de aquisição de dados efetue a medição de formaeficaz e exata para converter uma grandeza física em sinais elétricos para que possam serdigitalizados.

O sensor é um dispositivo que responde a um estímulo pré-definido e converte emsinais elétricos com amplitude e magnitude proporcional. Com isso, pode-se conectá-lo aoutros elementos sendo possível o processamento destes dados.

Na maioria das vezes, o circuito dos sensores é previamente estabelecido, tendo emsua saída uma escala definida de acordo com seu fabricante. Assim, para que a mediçãoseja mais eficaz e exata é necessário um circuito de condicionamento. O circuito decondicionamento de sinal tem a função de converter um sinal de forma a adequá-lo àinterface de outro elemento; podem possuir amplificadores, atenuadores, isoladores, filtros,linearizadores entre outros.

2.3.1 Atenuadores e Amplificadores com AmpOp

Os circuitos mais utilizados para efetuar esse condicionamento atuam como amplifi-cadores ou atenuadores de sinais. Ambos possuem a mesma topologia, porém sua função


altera de acordo com o ganho determinado na equação 2.24. Se o ganho for maior que 1,é um amplificador, porém se o ganho for menos que 1, é um atenuador.

Figura 8 – Circuito de ganho com AmpOp.

Fonte: Própria

Vout = RF

R1Vin (2.23)

Ganho = Vout

Vin

(2.24)

A desvantagem da utilização deste circuito é o fato dele não ser isolado, isto é, possuiuma diferença de potencial de terra ou tensão de modo comum.

2.3.2 Atenuadores e Amplificadores com Transformador

Um outro circuito de condicionamento que possibilita a amplificação ou atenuaçãopossui transformador como visto na figura 9. Nota-se que a utilização do transformadorisola o circuito acoplado ao microcontrolador e posteriormente utiliza um divisor de tensãopara atenuar o sinal. Uma razão adicional para a isolação é garantir que as leituras doequipamento de aquisição serão imunes a diferenças de potencial. Com isso, evitam-seos loops de terra. A isolação bloqueia o surto de alta tensão protegendo o conversor e ousuário.

Analisando o circuito dividimos em 3 parte: o transformador, o divisor de tensão ecircuito de offset.

O transformador é um dispositivo formado por duas bobinas isoladas uma da outra,quer permite a transferência de energia de uma para outra respeitando a proporção donúmero de bobinas de acordo com a equação2.25.

v1

v2= N1

N2= a (2.25)


Figura 9 – Circuito de ganho com transformador.

Fonte: Modificado de (Physical Home Automation Interface, 2015)

No circuito, o transformador, em geral, possui três saídas possibilitando a escolhaentre 0−12V ou 0−24V . Para ter uma saída mais próxima da tensão desejada foi ligadoao tap central, mostrada na figura 10.

Figura 10 – Esquemático do Transformador.

Fonte: Própria

O divisor de tensão é uma técnica de projeto de fácil montagem, como é observadona figura 11; é utilizada para criar uma tensão de saída proporcional a tensão de entradaconforme a equação 2.26.


Figura 11 – Circuito Divisor de Tensão.

Fonte: Própria

Vout = R2

R1 + r2Vin (2.26)

O circutio de offset realiza o deslocamento do sinal de acordo com uma tensão DCdesejada. A necessidade de um circuito de offset no projeto, decorre do fato do microcon-trolador operar com tensões positivas em suas entradas analógicas.

Figura 12 – Sinais com offset .

Fonte: Própria

2.4 Circuito de Proteção

Ao realizar o interfaceamento do microcontrolador com um circuito a ser controlado,deve-se tomar cuidado com a tensão e corrente. Ao usar um sensor ou circuito de moni-toramento pode ocorrer um surto de tensão ou corrente danificando o microcontroladorou interferindo na leitura. Para evitar que isso ocorra o uso de um circuito de proteção éindispensável.


2.4.1 Opto Acopladores

Um dos métodos de segurança é o uso de Opto acoplador que tem a função de isolarpartes do circuito elétrico, isto é, ele realiza a passagem da corrente elétrica de um pontopara outro sem a necessidade de um condutor elétrico. Este isolamento é necessárioquando há diferentes níveis de tensões no mesmo circuito.

Figura 13 – Configuração interna do Opto acoplador genérico.

Fonte: (Vishay, 2018)

Um Opto acoplador é formado basicamente por um diodo emissor de infravermelho efototransistor. Observa-se que na figura13, os pinos 1 e 2 são ligados no sensor e o pino3 e 4 no microcontrolador.

A maioria dos Opto acopladores possuem um transistor BJT resultando em uma saídanão linear. Há modelos de Opto acopladores com a capacidade de obter uma respostalinear; um exemplo é o IL300, seu circuito interno é mais complexo e requer um circuitode operação mais complexo.

Figura 14 – Circuito básico para uso do IL300.

Fonte: (Vishay, 2018)

Para manter o isolamento do circuito é necessário o uso de duas fontes de alimentaçãodistintas para os amplificadores operacionais.


2.4.2 Diodo Zener

O diodo Zener ou diodo regulador de tensão é um semicondutor projetado para tra-balhar sob o regime de condução inversa, ou seja, ele opera com uma tensão acima datensão de ruptura da junção PN.

Figura 15 – Símbolo Zener.

Fonte: (ALLDATASHEET.COM, 2018)

O circuito utilizando o diodo Zener é simples, composto por ele e um resistor.

Figura 16 – Circuito utilizando diodo Zener.

Fonte: (ALLDATASHEET.COM, 2018)

Utilizando as informações fornecidas no datasheet do fabricante, o cálculo do resistora ser ligado é:

RZmin = Vcc − VZ

IZmax

(2.27)

RZmax = Vcc − VZ

IZmin

(2.28)

Rs = RZmax +RZmin

2 (2.29)

RZmin < Rs < RZmax (2.30)

Ao trabalhar com sinais no qual ocorre uma variação de tensão positiva e negativa, énecessário o uso do circuito grampeador de tensão bipolar.

Ao ligar o sinal é limitado tanto na parte positiva quanto negativa, caso fosse ligadosomente um diodo Zener resulta em:


Figura 17 – Circuito grampeador de tensão bipolar.

Fonte: (Americana Componentes, 2018)

Figura 18 – Circuito com um diodo Zener com tensão bipolar.

Fonte: (Americana Componentes, 2018)

2.5 Fonte de Alimentação

Todo dispositivo eletrônico necessita de uma fonte de alimentação. Na realização desteprojeto, será necessário desenvolver uma fonte para alimentar o circuito de condiciona-mento.

Uma fonte é formada por 4 componentes fundamentais:

Figura 19 – Diagrama de blocos de uma fonte DC.

Fonte: Modificado de (Wikimedia Commons, 2011)

Para o entendimento do funcionamento de uma fonte de alimentação, é necessárioentender alguns conceitos sobre retificação de onda, filtro capacitivo e controladores detensão.


2.5.1 Retificador de Onda Completa

O retificador de onda completa consiste em polarizar o sinal, isto é, converter os doissemiciclos da onda em um sinal totalmente positivo ou negativo conforme demonstradona figura 20 e 21.

Esse retificador pode ser projetado de dois modos: usando 2 diodos e uma transfor-mador com tap central ou utilizando com 4 diodos no formato de ponte (ponte de diodo),sendo que a ponte de diodo pode ser usada em qualquer fonte AC.

Figura 20 – Retificador de onda completa com 2 diodos e tap central.

Fonte: (Wikimedia Commons, 2011)

Figura 21 – Retificador de onda completa com 4 diodos.

Fonte: (Wikimedia Commons, 2011)

2.5.2 Filtro Capacitivo

O filtro capacitivo é um circuito com a finalidade de reduzir as variações de tensãoe corrente de altas frequências. Em uma fonte de alimentação, ele serve para eliminara tensão AC pulsativa e transformá-la em uma tensão CC, essa variação é denominadatensão de Ripple.

A capacitância de um capacitor é definida por:

C = Q

Vc

(2.31)

Como a carga acumulada no período da onda, pode ser expressa por:

Q = I

f(2.32)


Com isso a tensão de Ripple pico-a-pico é:

Vrpp = I

fC= Vocc

fCRl

(2.33)

Figura 22 – Forma de onda filtrada por um filtro capacitivo.

Fonte: Própia

2.5.3 Reguladores de Tensão

Um regulador de tensão é um dispositivo geralmente formado por semicondutores,como os circuitos integrados reguladores de tensão, que tem por finalidade a manutençãoda tensão de saída de um circuito elétrico. Sua função principal é manter a tensãoproduzida pelo gerador/alternador dentro dos limites exigidos no sistema elétrico queestá alimentando. Um regulador de tensão é incapaz de gerar energia. A tensão deentrada deve ser sempre superior à sua tensão nominal.

Os reguladores de tensão na forma de circuitos integrados de três terminais são quaseque obrigatórios em projetos de fontes de alimentação. Os da série 7800 que operam nastensões de 5 a 24V tipicamente com corrente de 1A, porem para um bom funcionamentoa tensão de entrada deve ser no mínimo 2V mais alta que a tensão que se deseja operar,além de ter o limite de corrente de 1A.


Figura 23 – Circuito de regulação com valor de saída fixa.

Fonte:(Fairchild Semicondutor, 2005)

Os da série 7900 possuem as mesmas caracteriais da série 7800 e operam nas mesmasfaixas de tensões, porém em sua saída é negativa (-5 a -24V).

36

3 DesenvolvimentoA seguir iremos descrever o desenvolvimento do projeto o qual foi realizado em trés

etapas: circuito de condicionamento, fonte de alimentação e desenvolvimento do software.

3.1 Circuito de Condicionamento

O circuito de condicionamento de tensão escolhido tem como base o uso do trans-formador para efetuar o isolamento do circuito e sua atenuação inicial. O uso de optoacoplador linear não foi utilizado por ter uma topologia complexa além da necessidade douso de duas fontes de alimentação independentes.

3.1.1 Protótipo Inicial

Utilizando como base o circuito da figura 9 para o desenvolvimento inicial do circuitode condicionamento, resultou em um protótipo inicial com resultados promissores.

Na montagem do circuito, foi usado um transformador com entrada de 110V e comsaída de±12V , um resistor R1 100k, um potenciômetro RV 1 e uma fonte DC para realizaro offset do sistema.

Figura 24 – Circuito de condicionamento inicial.

Fonte: Própria

Com auxílio do osciloscópio, posicionou-se a ponteira do canal 1 na saída do transfor-mador e a ponteira do canal 2 na saída do circuito.

O resultado observado na figura 26 é uma tensão de 40V de pico a pico na saídado transformador, sendo este resultado maior que o esperado pois o transformador utili-zado possui uma entrada de 110V e as tomadas brasileiras possuem uma tensão de 127Vresultando nessa diferença, e na saída do circuito uma tensão de 4,8V de pico a pico.

O resultado obtido torna o circuito promissor para o uso no projeto, pois o circuitorealiza a atenuação sem deformar a onda de forma significativa, possibilita o ajusto doganho bem como isola o circuito da rede monitorada.

Capítulo 3. Desenvolvimento 37

Figura 25 – Montagem do circuito de condicionamento inicial.

Fonte: Própria

Figura 26 – Osciloscópio do circuito de condicionamento inicial.

Fonte: Própria

3.1.2 Sensor de Corrente

O sensor de corrente utilizado na realização do projeto foi o SCT-013-000V. A escolhadeste sensor se deve ao fato de ser muito versátil e tratar-se de um sensor não invasivo,isto é, não é necessário abrir o circuito para a instalação do equipamento bastando fixá-lo(abraçá-lo) em um do fios conforme demostrado na figura 27.


Figura 27 – Modo de usar o ensor de corrente SCT-013

Fonte:

O sensor SCT-013-000V é um transformador de corrente que opera com uma leiturade 0-100A e tem uma saída de 0-1V, a sigla SCT é Split-core Current Transformer, ouseja, transformador de corrente de núcleo dividido. Para realizar as medições o sensoré composto por uma bobina, um TVS transient voltage suppressor ou seja, supressortransiente de tensão e um núcleo de ferrite dividido.

Figura 28 – Sensor de corrente SCT-013

Fonte: (YHDC, 2013a)

O funcionamento do sensor é baseado em dois fundamentos: a Lei de Ampère quedetermina o campo magnético ao redor de um fio percorrido por uma corrente elétricae a Lei de Faraday da indução eletromagnética que diz que um campo magnético quevaria ao longo do tempo induz em uma espira próxima uma força eletromotriz que gerauma corrente elétrica proporcional a intensidade do campo magnético. Com base nessesfatores podemos concluir que o sensor só pode operar em corrente alternada.


Figura 29 – Circuito interno do sensor de corrente SCT-013

Fonte:(YHDC, 2013b)

3.1.3 Desenvolvimento do Circuito de Condicionamento

O desenvolvimento do circuito de condicionamento procedeu-se em três etapas deevolução do circuito sendo que em cada uma das etapas foram realizadas simulaçõescom o software Proteus e posteriormente fabricadas para testes de leitura utilizadas emlaboratório.

No primeiro circuito utilizou-se como base o circuito de condicionamento inicial. Emseguida, adicionou-se um circuito de proteção com diodo Zener na saída do transformadore substituiu-se o divisor de tensão por um circuito de ganho com AmpOp para realizar oganho e posteriormente utilizando um circuito de amplificador diferencial para realizar ooffset do circuito.

A substituição realizada decorre do fato do AmpOp possuir uma resistência de entradaalta, resistência de saída quase nula, uma boa resposta de frequência e não sofrer alteraçõescom a variação da temperatura.

Figura 30 – Circuito de condicionamento sem regulagem de ganho e offset.

Fonte: Própria

A simulação foi realizada no software Proteus, aplicando-se uma tensão de entrada de20V p e utilizado-se o diodo Zener 1N4745A (diodo Zener com tensão de operação de 18V)


obtendo-se como resultado a figura 31.

Figura 31 – Resultado da simulação do circuito de condicionamento sem regulagem deganho e offset.

Fonte: Própria

A partir da observação do resultado da simulação foi possível notar o funcionamentodo sistema de proteção com diodo Zener que ceifou os picos de tensão. O sinal observadoem azul é a tensão de entrada de 20V p, o sinal em verde representa a tensão ceifada eem vermelho a tensão após a realização da atenuação. A deformação da onda ocorridano sistema de proteção propaga para o sinal final. O mesmo resultado foi obtido emlaboratório resultando na figura 32. Na saída do circuito notou-se, em vermelho, um sinalsenoidal de 0V-5V, no entanto, a deformação realizada pelo diodo Zener propaga-se.

Figura 32 – Funcionamento do diodo Zener em laboratório.

Fonte: Própria


Figura 33 – Montagem do circuito da Figura 30 em protoboard.

Fonte: Própria

Na montagem do circuito o diodo 1N4745A foi trocado para 1N4747A uma vez quesua tensão de operação é de 20V.

Figura 34 – Resultado do circuito da Figura 30 em protoboard.

Fonte: Própria

O software Proteus possui ferramentas para roteamento da PCI além de montar umaimagem 3D.


Figura 35 – Imagem da PCI do circuito da Figura 30.

Fonte: Própria

Figura 36 – Imagem 3D da PCI do circuito da Figura 30.

Fonte: Própria

Com auxílio dos técnicos de laboratório do DEEL-UEL para confeccionar as placas apartir do (APÊNDICE A - Máscara do primeiro circuito de condicionamento) gerado noProteus, obteve-se a primeira placa do projeto.

Os resultados obtidos com o primeiro protótipo são satisfatórios, entretanto, comoos componentes possuem valores fixos não há possibilidade de realizar o ajuste fino doganho do sinal de tensão. Assim como não foi possível utilizar todos os amplificadoresoperacionais disponíveis no CI (LM324N).

Na segunda etapa de melhorias do circuito, foi colocado um trimpot para solucionaro problema encontrado no ajuste fino do ganho do sinal a fim de obter o máximo deresolução do circuito.

Visando otimizar o sistema, adicionou-se um circuito de condicionamento do sinal decorrente, sendo este semelhante ao circuito de ganho do sinal de tensão. A leitura dacorrente foi adquirida através do sensor SCT013 000V.

O resultado observado, em um primeiro momento, é adquirido por meio da leituraantes do transformador (canal 2) e na saída do circuito (canal 1).

Num segundo momento, o resultado é adquirido após o transformador (canal 2) e na


Figura 37 – Foto da primeira placa do projeto.

Fonte: Própria

Figura 38 – Circuito de condicionamento com regulagem de ganho.

Fonte: Própria

saída do circuito (canal 1).No resultado do segundo circuito, observou-se a necessidade de ajustar o offset vari-

ando a tensão de uma segunda fonte de alimentação. Visando montar uma alimentaçãofixa, verificou-se a necessidade de haver um ajuste no circuito. Outra falha do projetoque pode ser mencionada foi a falta de conhecimento do comportamento do sensor decorrente, o qual também necessitava de um circuito de offset.

O canal 2 foi ligado na saída do sensor SCT013-000V e canal 1 ligado na saída do sinalde corrente.

Na terceira e última etapa do circuito, objetivando solucionar os erros encontrados



Fonte: Própria


Fonte: Própria

Figura 41 – Foto da segunda placa do projeto.

Fonte: Própria

anteriormente, adicionou-se mais dois trimpot para regular o offset tanto o de tensãoquanto o de corrente.


Figura 42 – Resultado do circuito da Figura 38 com entrada 127V.

Fonte: Própria

Figura 43 – Resultado do circuito da Figura 38 com entrada 12V.

Fonte: Própria

3.2 Fonte de Alimentação

Inicialmente, para projetar a fonte de alimentação, determinou-se o uso de um trans-formador semelhante ao do circuito de condicionamento ( 110V/± 12V ).

Na etapa seguinte, foi realizada a retificação da onda através de uma ponte de diodose filtrado por um par de filtros capacitivos. Considerando-se uma tensão de ripple deaproximadamente 1, 5V e uma corrente de 550mA, utilizando a equação 2.33, é possívelobter um capacitor de 2200µF .

Na etapa final foram determinados os reguladores de tesão. Ao analisar o circuito decondicionamento constatou-se a necessidade de uma fonte simétrica com +12V , −12V


Figura 44 – Resultado do sensor de corrente.

Fonte: Própria

Figura 45 – Circuito de condicionamento final.

Fonte: Própria

para alimentar o CI, bem como uma fonte de +5V para realizar o offset.

• LM7812 para a regulação de +12V

• LM7912 para a regulação de −12V

• LM7805 para a regulação de +5V



Fonte: Própria


Fonte: Própria

Figura 48 – Foto placa final.

Fonte: Própria


Figura 49 – Etapa de retificação e filtragem da onda.

Fonte: Própria

Figura 50 – Conjunto de reguladores de tensão para ±12V .

Fonte: Própria

Figura 51 – Regulador de tensão para 5V.

Fonte: Própria

Juntando-se o circuito da figura 49, 50 e 51 obteve-se o circuito da fonte de alimentaçãocom saída de ±12V e 5V .

Simulou-se o circuito da figura 52 resultando em:


Figura 52 – Circuito da fonte simétrica com saídas -12V, +12V e +5V.

Fonte: Própria

Figura 53 – Resultado da simulação do transformador e ponte retificadora.

Fonte: Própria

Figura 54 – Resultado da simulação na saída.

Fonte: Própria

Utilizando-se o software Proteus para rotear a PCI obteve-se:



Fonte: Própria


Fonte: Própria

Figura 57 – Foto do circuito da fonte de alimentação.

Fonte: Própria

3.3 Desenvolvimento do SoftwareNo desenvolvimento do Software foi criado um fluxograma dividido em 4 estágios

principais. O algoritmo desenvolvido foi utilizado tanto para o Arduino como para oARM Cortex.


Figura 58 – Fluxograma.

Fonte: Própria

3.3.1 Início

Figura 59 – Fluxograma do início.

Fonte: Própria

A inicialização do programa foi dividida em 4 passos: configuração das portas, confi-guração dos vetores e variáveis, configuração do timer e, por fim, a configuração da saídade dados.

Na inicialização do Arduino, a configuração, tando das portas como da saída de dados,foram simples. A criação das variáveis e dos vetores foi adequada de acordo com anecessidade do programa. O timer criado foi configurado para criar a interrupção a cada0, 16667µs, ou seja, com a frequência de 60kHz, visando coletar 100 amostras a cada ciclo.

A configuração das portas do ARM-Cortex requer um conhecimento amplo do sis-tema, pois há muitos parâmetros a serem determinados além de possuir ferramentes paraotimizar o programa. Na configuração da porta ADC vinculou-se uma DMA para realizara transmissão de dados para a memoria. Por conseguinte, a criação de variáveis e vetoresseguiu o mesmo processo do Arduíno. A configuração do timer de interrupção, por outrolado, seguiu o mesmo parâmetro de tempo, e foi vinculado a uma NVIC para realizaruma interrupção externa. Por fim, a comunicação para saída de dados foi feita pela portaserial sendo configurado uma USART.


Figura 60 – Fluxograma da aquisição de dados.

Fonte: Própria

3.3.2 Aquisição de Dados

A aquisição de dados para os dois sistemas deu-se da mesma forma: ao ocorrer umainterrupção causada pelo timer o sistema ativou a recepção de dados da porta ADC earmazenou em um vetor para a tensao (tensao[100]) e outro para a corrente (corrente[100]).

Com a frequência de 60kHz do timer, o sistema adquire 100 medições por ciclo dasenoide, por isso os vetores possuem 100 posições.

3.3.3 Processamento de Dados

O processamento de dados representa "a alma do sistema"; é o local onde ocorretodos os cálculos e tomadas de decisões. Com os dados dos vetores tensao[i] e corrente[i]é necessário transformar o dado digital em valores de tensao e corrente, para, assim,determinar os valores de k e w.

k = Vpp

Nb

− offset (3.1)

tensao = tensao[dado]Vpp

Nb

− offset (3.2)

w = Ipp

Nb

− offset (3.3)

corrente = corrente[dado]Ipp

Nb

− offset (3.4)

Configurando-se o circuito de condicionamento para uma tensão máxima de 130Vrms,tem-se um Vpp = 367, 6955V aproximadamente e um offset de 183,8477V. Em contra-partida, configurando-se o circuito para uma corrente máxima de 20Irms, obtem-se umaIpp = 28, 2842A e um offset de 14,1421A.

No Arduino os dados adquiridos foram convertidos em 10bits, com isso temos:

k = 367, 6955210 = 0, 3590 (3.5)


Figura 61 – Fluxograma do processamento de dados.

Fonte: Própria

tensao = tensao[i] · 0, 3590− 183, 8477 (3.6)

w = 28, 2842210 = 0, 02762 (3.7)

corrente = corrente[dado] · 0, 02762− 14, 1421 (3.8)

No ARM Cortex os dados adquiridos são convertidos em 12bits, com isso temos:

k = 367, 6955212 = 0, 08976 (3.9)

T = tensao[i] · 0, 08976− 183, 8477 (3.10)

w = 28, 2842212 = 0, 0069053 (3.11)

I = corrente[dado] · 0, 0069053− 14, 1421 (3.12)

A partir dos valores de tensão(T) e corrente(I) foi calculada a potência média utilizando-se a equação 2.5.

Os valores da tensão eficaz (Vef ) e corrente eficaz (Ief ) foram determinados pela equa-ção 2.16 e 2.17, respectivamente.


Ao termino do cálculo, o sistema verifica se foram realizadas as 100 aquisições dedados, caso isso não tenha ocorrido, o sistema volta para aquisição de dados caso contrarioo sistema calcula a potência aparente através da equação 2.18.

Posteriormente,os dados de tensão eficaz, corrente eficaz, potência média, potênciaaparente e fator de potência foram armazenados em vetores de 20 posições.

Na sequência, os valores dos vetores[i] foram zerados, assim como foi verificado sea segunda ordem de vetores[d] adquiriram 20 medições. Em caso afirmativo, o sistemaprossegue para impressão dos resultados.

O vetor[d] possui 20 posições para que o sistema atualize os dados impressos a cada0,3333s (1/3s). Caso a atualização ocorresse a cada fim de ciclo, não haveria a possibili-dade de ler o resultado uma vez que a atualização ocorreria muito rápido.

3.3.4 Impressão de Dados

Figura 62 – Fluxograma da impressão.

Fonte: Própria

Na realização da impressão dos resultados, em ambos os sistemas, utilizou-se a comu-nicação serial com o computador para visualização.

55

4 Resultados

Após a montagem do circuito de condicionamento foram realizadas medições paraverificar seu comportamento. Na realização dessas medições foi utilizado um ferro depassar roupa como carga, um variaque para realizar a variação de tensão e corrente dosistema de entrada, um multímetro para monitorar a corrente e tensão de entrada, 2fontes de alimentação e um osciloscópio para monitorar a saída do sinal.

A seleção do valor do ganho do circuito de condicionamento de tensão foi estipuladavisando o limite de oscilação tolerado na baixa tensão pela ANAEEL, tendo em vista atensão nominal de 127V e um limite de tolerância de 5% resultando em 133,35V.

No circuito de condicionamento de corrente o valor do ganho foi estipulado através dacorrente nominal da tomada residencial que é de 20A.

Figura 63 – Foto da montagem para realizar a calibração.

Fonte: Própria

Figura 64 – Foto do osciloscópio com o resultado de 1 medição.

Fonte: Própria

Capítulo 4. Resultados 56

Para verificar a linearidade do funcionamento do circuito considerando de tensão, emum primeiro momento, calibrando o circuito utilizando como referencia 127V - 5V foramcoletados valores da tensão de entrada e saída.

Tabela 1 – Tabela da variação da tensão e o ganho para 127V - 5V .

Tensão de Entrada Tensão de saída Ganho0V 0V 0

2, 19V 0, 12V 0, 03936, 98V 0, 27V 0, 039211, 00V 0, 43V 0, 039014, 98V 0, 59V 0, 039419, 01V 0, 75V 0, 039523, 02V 0, 90V 0, 039327, 03V 1, 06V 0, 039131, 01V 1, 22V 0, 039435, 01V 1, 37V 0, 039238, 98V 1, 53V 0, 039342, 99V 1, 69V 0, 039247, 20V 1, 85V 0, 039351, 00V 2, 01V 0, 039455, 01V 2, 17V 0, 039559, 02V 2, 32V 0, 039362, 99V 2, 47V 0, 039267, 00V 2, 62V 0, 039170, 98V 2, 81V 0, 039675, 01V 2, 96V 0, 039479, 03V 3, 11V 0, 039383, 00V 3, 24V 0, 039087, 02V 3, 40V 0, 039191, 02V 3, 59V 0, 039195, 03V 3, 74V 0, 039499, 02V 3, 91V 0, 0395103, 00V 4, 09V 0, 0390107, 00V 4, 19V 0, 0392111, 01V 4, 37V 0, 0394114, 98V 4, 53V 0, 0394119, 02V 4, 70V 0, 0395122, 99V 4, 86V 0, 0391127, 00V 5, 00V 0, 0394131, 01V 5, 08V 0, 0376134, 83V 5, 12V 0, 0373


Repetindo o processo porém calibrando o circuito utilizando como referencia 127V -3, 3V .

Tabela 2 – Tabela da variação da tensão e o ganho par 127V - 3, 3V .

Tensão de Entrada Tensão de saída Ganho0V 0V 0

4, 01V 0, 10V 0, 0258, 03V 0, 21V 0, 02711, 98V 0, 30V 0, 02516, 02V 0, 40V 0, 02520, 00V 0, 50V 0, 02523, 99V 0, 60V 0, 02532, 00V 0, 86V 0, 02735, 99V 0, 91V 0, 02540, 03V 1, 09V 0, 02743, 98V 1, 13V 0, 02651, 99V 1, 41V 0, 02756, 02V 1, 38V 0, 02560, 01V 1, 58V 0, 02664, 03V 1, 65V 0, 02667, 97V 1, 71V 0, 02571, 97V 1, 83V 0, 02576, 03V 1, 90V 0, 02579, 99V 2, 04V 0, 02583, 98V 2, 16V 0, 02687, 99V 2, 36V 0, 02791, 98V 2, 39V 0, 02695, 99V 2, 59V 0, 02799, 97V 2, 55V 0, 025104, 03V 2, 76V 0, 027108, 03V 2, 81V 0, 026112, 01V 3, 03V 0, 027116, 02V 2, 99V 0, 026119, 98V 3, 15V 0, 026124, 02V 3, 22V 0, 027127, 03V 3, 30V 0, 026130, 97V 3, 37V 0, 025134, 73V 3, 42V 0, 025


Em um segundo momento, para verificar a linearidade do circuito considerando decorrente, foram realizadas medições utilizando como referência de calibragem 1A - 0, 25V .

Tabela 3 – Tabela da variação da corrente e o ganho para 1A - 0, 25V .

Corrente de Entrada Tensão de saída Ganho1, 01A 0, 25V 0, 24821, 25A 0, 31V 0, 24791, 49A 0, 37V 0, 24801, 77A 0, 44V 0, 24831, 98A 0, 49V 0, 24812, 26A 0, 56V 0, 24832, 50A 0, 62V 0, 24822, 75A 0, 68V 0, 24803, 02A 0, 75V 0, 24793, 28A 0, 81V 0, 24833, 52A 0, 87V 0, 24813, 77A 0, 94V 0, 24824, 03A 1, 00V 0, 24804, 26A 1, 06V 0, 24784, 49A 1, 11V 0, 24814, 71A 1, 17V 0, 24814, 98A 1, 23V 0, 24795, 23A 1, 29V 0, 24805, 48A 1, 37V 0, 24835, 73A 1, 42V 0, 24815, 98A 1, 48V 0, 24826, 25A 1, 55V 0, 24806, 47A 1, 61V 0, 24826, 71A 1, 66V 0, 24816, 99A 1, 73V 0, 24797, 24A 1, 80V 0, 24837, 51A 1, 86V 0, 24807, 75A 1, 92V 0, 24827, 99A 1, 98V 0, 24788, 21A 2, 04V 0, 24808, 48A 2, 10V 0, 24808, 71A 2, 16V 0, 24828, 97A 2, 22V 0, 24799, 26A 2, 30V 0, 24819, 48A 2, 35V 0, 2480


Repetindo o procedimento porém calibrando o circuito para 1A - 0, 165V .

Tabela 4 – Tabela da variação da tensão e o ganho para 1A - 0, 165V .

Tensão de Entrada Tensão de saída Ganho1, 02A 0, 1649V 0, 1621, 25A 0, 2063V 0, 1651, 50A 0, 2500V 0, 1671, 74A 0, 3015V 0, 1732, 03A 0, 3450V 0, 1702, 25A 0, 3713V 0, 1652, 47A 0, 4198V 0, 1702, 77A 0, 4708V 0, 1704, 04A 0, 6866V 0, 1704, 21A 0, 7016V 0, 1674, 49A 0, 7557V 0, 1684, 74A 0, 8134V 0, 1725, 01A 0, 8184V 0, 1635, 21A 0, 8339V 0, 1605, 45A 0, 8813V 0, 1625, 73A 0, 9360V 0, 1635, 98A 0, 9571V 0, 1606, 25A 1, 0828V 0, 1736, 46A 1, 0233V 0, 1586, 74A 1, 1343V 0, 1686, 98A 1, 1978V 0, 1727, 25A 1, 2441V 0, 1727, 47A 1, 2449V 0, 1677, 71A 1, 3103V 0, 1708, 00A 1, 3464V 0, 1688, 26A 1, 3493V 0, 1638, 50A 1, 4586V 0, 1728, 73A 1, 3828V 0, 1588, 97A 1, 4356V 0, 1609, 22A 1, 5517V 0, 1689, 48A 1, 5955V 0, 168

Tabela 5 – Tabela com o desvio Médio.

Calibragem de referência Desvio Médio %do Desvio Médio127V - 5V 0,0258 0,656%

127V - 3, 3V 0,0258 2,9%1A - 0, 25V 0,000123 0,049%1A - 0, 165V 0,003848 2,31%


Tendo uma variação média relativamente baixa podemos concluir que o sistema possuiuma característica linear, considerando os fatos da variação da tensão e corrente de entradaserem realizado manualmente e o multímetro como o osciloscópios não terem o certificadode calibragem os resultados são aceitáveis.

O resultado da fonte de alimentação foi verificado com auxílio de um multímetro

Tabela 6 – Tabela das medições da fonte de alimentação.

Tensão de Entrada saída +12V saída -12V saída +5V133, 3V 12, 20V −12, 20V 5, 10V128, 7V 12, 10V −12, 10V 5, 05V127, 0V 12, 00V −12, 00V 5, 00V120, 7V 11, 85V −11, 85V 4, 95V

Juntando o circuito de condicionamento, a fonte de alimentação e o sensor de correnteSTC013 temos:

Figura 65 – Sensor de tensão e corrente isolado.

Fonte: Própria

Utilizando o software Proteus para simular o sistema desenvolvido para o Arduino,tendo o controle dos dados de entrada e conhecimento do resultado final é verificado ofuncionamento do sistema.


Configurando o sistema para apresentar um atraso de 90◦ da corrente em relação atensão temos um fator de potencia de 0,5cm.

Figura 66 – Configuração do sinal de entrada.

Fonte: Própria

Figura 67 – Resultado impresso em um LCD.

Fonte: Própria


Figura 68 – Resultado impresso na saída serial.

Fonte: Própria

Aplicando o software desenvolvido no Proteus, retirando a impressão do dados em umLCD e configurando a saída serial, ligando o sensor de tensão e corrente, configurado para140V - 5, 0V e 20A - 5, 0V temos:

Figura 69 – Resultado da medição do ventilador com Arduino.

Fonte: Própria


Figura 70 – Resultado da medição do filtro de aguá com Arduino.

Fonte: Própria

Substituindo o microcontrolador Arduino pelo ARM Cortex para monitorar o fun-cionamento do ferro de passar roupa, por tratar de uma carga puramente resistiva, econfigurando o circuito de condicionamento ajustado para 140V - 3, 3V e 20A - 3, 3Vtemos:

Figura 71 – Resultado da primeira medição em carga resistiva com ARM.

Fonte: Própria


Realizando pequenos ajustes no algoritmo, realizando novas medições em cargas dife-rentes temos:

Figura 72 – Resultado da medição do ventilador com ARM.

Fonte: Própria

Figura 73 – Resultado da medição do filtro de aguá com ARM.

Fonte: Própria

Foram realizadas medições com os 2 sistemas e o medidor comercial D52-2048 paracomparar os resultados. Cada medição realizada foi obtida através da média de 10 medi-ções consecutivas tendo seu resultados descrito nas tabelas 7, 8 e 9.


Tabela 7 – Tabela do fator e da potencia real medida pelo Arduino.

Equipamento ArduinoFator de Potência Potência real

filtro de aguá 0, 619 32, 50WCirculador de ar 0, 876 129, 00W

Ventilador 1 estagio 0, 992 87, 00WVentilador 2 estagio 0, 995 104, 20Wventilador 3 estagio 0, 898 128, 00W

Forno Elétrico 1, 000 700, 00WMicro-ondas 0, 965 1245, 00W

TV 0, 982 172, 30W

Tabela 8 – Tabela do fator e da potencia real medida pelo ARM Cortex.

Equipamento ARM CortexFator de Potência Potência real




TV 0, 983 171, 70W

Tabela 9 – Tabelado fator e da potencia real medida pelo D52-2048.

Equipamento D52-2048Fator de Potência Potência real




TV 0, 985 170, 50W

Comparando as medias do fator de potência medidos pelo Arduino e pelo ARM Cortextemos:

Comparando as medias do fator de potência realizadas com os protótipos em relaçãoao medidor comercial temos:


Tabela 10 – Tabelado de comparação do FP entre Arduino e ARM Cortex.

Arduino ARM CortexDiferença de FP % da Diferença

0, 000 0, 000%0, 004 0, 456%0, 000 0, 000%0, 001 0, 101%0, 011 1, 232%0, 000 0, 000%0, 007 0, 723%0, 001 0, 102%

Tabela 11 – Tabelado de comparação do FP entre o protótipos e o medidor comercial.

Arduino ARM CortexDiferença de FP % da Diferença Diferença de FP % da Diferença

0, 000 0, 000% 0, 000 0, 000%0, 006 0, 685% 0, 002 0, 227%0, 002 0, 202% 0, 002 0, 202%0, 002 0, 201% 0, 001 0, 101%0, 002 0, 223% 0, 013 1, 466%0, 000 0, 000% 0, 000 0, 000%0, 015 1, 554% 0, 008 0, 823%0, 003 0, 305% 0, 002 0, 203%

Tabela 12 – Tabelado de custo.

Custo D52-2048 Arduino ARM-CortexReal R$152, 24 R$39, 59 R$209, 99Dólar US$32, 00 US$6, 99 US$25, 65

67

5 Discussões e Conclusões

Na realização deste projeto é possível dividi-lo em 2 etapas principais, a de monta-gem do sistema para aquisição de tensão e corrente e o desenvolvimento do software dosmicrocontroladores.

Na etapa de montagem do sistema de sensores é aplicado o conhecimento de diversasareá da engenharia elétrica como eletrônica, instrumentação, conceitos de eletromagne-tismo entro outros. O desenvolvimento do projeto passa por diversas etapas de melhorias,mesmo possuindo um resultado promissor sempre existe a possibilidade de otimizar osistema.

Após realizar inúmeros testes é possível comprovar o funcionamento do circuito. Comisso temos a garantia da aquisição de dados sem a ocorrência de erros ou distorçõesdecorrente do sistema de sensores.

No desenvolvimento do software a ferramenta de simulação Proteus garante o funcio-namento do programa desenvolvido em Arduino. Tendo o controle dos dados de entrada épossível calcular o resultado esperado. Com isso é garantido o funcionamento do programadesenvolvido.

Ao utilizar o mesmo algoritmo para o ARM Cortex e realizar medições em aparelhoscom valores de resultados conhecidos é valido o seu funcionamento. Ao validar o resultadodos programas é realizado a medição em diverso equipamentos domésticos e é comparadoseu resultado, observando a tabela 10 o resultado obtido dos dois sistemas possuem valorespróximos,tendo uma diferença máxima de 1,232%.Com isso podemos afirmar a vantagemdo uso do Arduino, por ser mais barato, em relação ao ARM Cortex.

O resultado obtido era previsto pois o algoritmo desenvolvido utiliza a media de Nvalores por cilo. Além disso, o FP em muitos equipamentos possui um valor quase contantequando o sistema entra em regime permanente.

Considerando que o sistema calcula 6 mil amostas por segundo e utiliza a sua médiacomo resultado. Um aumento de amostras não acarreta uma diferença notável. Poremanalisando o sistema para um medidor de consumo o número de amostras é um fatordecisivo, pois ao considerar uma aproximação de amostragem em um período de tempode um més, o resultado final apresentara um grande erro.

Comparando os resultados obtidos com os dois projetos em relação ao resultados obtidocom o medidor comercial podemos concluir que ambos apresentaram resultados satisfa-tórios, observando a tabela 12 a diferença máxima entre os valores obtidos pelo Arduinoem relação ao D25-2048 é de 1,554%. E a diferença máxima entre o ARM Cortex e oD25-2048 é de 1,466%.

Capítulo 5. Discussões e Conclusões 68

5.1 Trabalhos Futuros

No desenvolvimento do projeto, apesar de apresentar um resultado promissor, existemmuitas possibilidades de melhorias. Vale a pena destacar algumas melhorias pontuais:

• Melhoria do circuito de condicionamento de tensão trocando o transformador, porum circuito com opto acoplador .

• Troca do sensor SCT013 000V por outro com melhor resolução, o SCT-013-020 seriaideal para a realização deste projeto.

• Otimização do algoritmo.

• Trocando o Arduino Uno por outro microcontrolador para possibilitar a medição deconsumo.

• Implementação do um LCD para a visualização dos resultados.

• Acoplamento de placa Wi-fi para monitoramento remoto.

• Fonte de alimentação para o microcontrolador.

69

Referências

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Americana Componentes. GRAMPEADORES DE TENSÃO. 2018. Acesso em: 26 deOutubro de 2018. Disponível em: <http://componentesamericana.com.br/produto/diodo-zener-bzx79c10-10v-05w-ax>. 32

ANEEL. Agencia Nacional de Energia Elétrica - ANEEL, Resolução Normativa.2012. Acesso em: 10 de Novembro de 2018. Disponível em: <http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/audiencia/arquivo/2012/065/documento/ren_-_alteracoes_-_fp_-_11-06-2012.pdf>. 17

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BENíTEZ, C. M. V. Análise de Circuitos 2 Potência elétrica, Fator de Potência eCorreção de Fator de Potência. Departamento Acadêmico de Eletrônica, UniversidadeTecnológica Federal do Paraná (UTFPR), 2013. Acesso em: 11/11/2018. Disponívelem: <http://paginapessoal.utfpr.edu.br/cesarbenitez/analise-de-circuitos-2-tecnico-2/Potencia_FP.pdf/at_download/file>. 22

Colnago et al. A Nova Norma de Qualidade da Energia Elétrica Brasi-leira e um Medidor de Baixo Custo. 2011. Acesso em: 11 de novembro de2018. Disponível em: <https://www.researchgate.net/profile/Jose_Vieira7/publication/263973996_A_Nova_Norma_de_Qualidade_da_Energia_Eletrica_Brasileira_e_um_Medidor_de_Baixo_Custo/links/0f3175395ea254ea5d000000/A-Nova-Norma-de-Qualidade-da-Energia-Eletrica-Brasileira-e-um-Medidor-de-Baixo-Custo.pdf>. 21

COPEL. Fator de potência: Como trasformá-lo em um fator de economia. 2008. Acessoem: 11 de abril de 2008. Disponível em: <www.copelsolucoes.com/downloads/pdf_fator.pdf>. 16

COPEL. FATOR DE POTÊNCIA: Em busca da eficiência energética nas instalaçõeselétricas. 2017. Acesso em: 10 de Novembro de 2018. Disponível em: <https://www.copel.com/hpcopel/root/sitearquivos2.nsf/arquivos/fator_de_potencia/\protect\T1\textdollarFILE/fator_potencia.pdf>. 17

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Referências 70

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SOUZA, E. da S. C. R. C. Uma abordagem estatística para a previsão de potênciareativa em sistemas elétricos. Pesquisa Operacional„ 2016. p.361-381 p. Acesso em: 11de novembro de 2018. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/pope/v26n2/08.pdf>.21, 22

SOUZA, S. A. Introdução aos microcontroladores ARM Cortex-M4 TivaC Series da Texas Instruments. 2015. Acesso em: 26 de Outubro de2018. Disponível em: <https://www.ebah.com.br/content/ABAAAgv0gAJ/introducao-aos-microcontroladores-arm-cortex-m4-tiva-c-series-texas-instruments>. 24

Tecnologia esperta Co. de L & de J. Sensor: Tipo medidor eletromecânico do soqueteda energia, medidores indutivos de watt-hora da fase monofásica. 2014. Acesso em: 18de Novembro de 2018. Disponível em: <http://portuguese.electricalenergymeter.com/china-tipo_medidor_eletromec_nico_do_soquete_da_energia_medidores_indutivos_de_watt_hora_da_fase_monof_sic-2093879.html>. 16

VIEIRA, F. P. Instrumento microprocessador para medição de potência ativa, reativa efator de potência. Universidade de São Paulo - Escola de Engenharia de São Carlos, SãoCarlos - SP, 2008. 16

Vishay. Vishay Semiconductors. 2018. Acesso em: 27 de Abril de 2018. Disponível em:<http://www.vishay.com/docs/83708/appn50.pdf>. 30

WEG Automação. Manual para correção do Fator de Potência. 2018. Acesso em:31/10/2018. Disponível em: <http://static.weg.net/medias/downloadcenter/hea/h8b/WEG-correcao-do-fator-de-potencia-958-manual-portugues-br.pdf>. 19, 20, 21, 22

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YHDC. Split Core Current Transformer. 2013. Acesso em: 11 de julho de 2018.Disponível em: <https://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_SCT013.pdf>. 39

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http://en.yhdc.com/product1311.html?productId=401

https://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_SCT013.pdf

https://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_SCT013.pdf

Anexos

72

ANEXO A – DatasheetSCT013-100

73

ANEXO B – Datasheet D52-2048

ANEXO B. Datasheet D52-2048 74

Apêndices

76

APÊNDICE A – Máscara doprimeiro circuito decondicionamento.

77

APÊNDICE B – Máscara dosegundo circuito decondicionamento.

78

APÊNDICE C – Máscara docircuito de condicionamento final.

APÊNDICE C. Máscara do circuito de condicionamento final. 79

80

APÊNDICE D – Máscara da fontede alimentação.

81

APÊNDICE E – Código paraArduino com impressão em LCD

//Carrega a biblioteca LiquidCrystal

#include <LiquidCrystal.h>

// Variáveia para armazenar os resultados

unsigned long tempo_inicio, tempo = 0;unsigned long tempo_fim;unsigned long valor;// constante para configuração do prescaler

const unsigned char PS_16 = (1 << ADPS2);const unsigned char PS_32 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS0);const unsigned char PS_64 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1);const unsigned char PS_128 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0);

int count = 0, t_count = 0, d_count = 0;int tensao[100], corrente[100];float pm, ps, vm, im, vef, ief, fp;

//Define os pinos que serão utilizados para ligação ao display

LiquidCrystal lcd(8, 9, 3, 5, 6, 7);

ISR(TIMER1_OVF_vect) //interrupção do TIMER1

{//TCNT1 = 0xF595; // Renicia TIMER

TCNT1 = 62950; // Renicia TIMER

if (t_count >= 100) {t_count = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {

//vaores médios

pm = pm + (tensao[i] * 0.60767 - 311.13) * (corrente[i] * 0.05529 - 28.28);

vef = vef + sq(tensao[i] * 0.60767 - 311.13);ief = ief + sq(corrente[i] * 0.05529 - 28.28);

APÊNDICE E. Código para Arduino com impressão em LCD 82

}

vef = sqrt(vef / 100);ief = sqrt(ief / 100);ps = vef * ief;pm = pm / 100;fp = pm/ps;

//Serial.println("------------------------------");

Serial.print("Tensao eficaz (V): ");Serial.println(vef);Serial.print("Corrente Eficaz (A): ");Serial.println(ief);Serial.print("Potencia ativa (W): ");Serial.println(pm);Serial.print("Potencia aparente (VA): ");Serial.println(ps);Serial.print("Fator de potencia: ");Serial.println(fp);Serial.println("------------------------------");

lcd.setCursor(2, 0);lcd.print((int)pm);lcd.setCursor(2, 1);lcd.print((int)ps);lcd.setCursor(12, 0);lcd.print(fp);

vef = 0;ief = 0;pm = 0;ps = 0;fp = 0;

} else {tensao[t_count] = analogRead(0);corrente[t_count] = analogRead(1);

}

APÊNDICE E. Código para Arduino com impressão em LCD 83

t_count++;

void setup() {Serial.begin(9600);ADCSRA &= ~PS_128;ADCSRA |= PS_32;

// Configuração do timer1

TCCR1A = 0; //confira timer para operação normal pinos OC1A e OC1B desconectados

TCCR1B = 0; //limpa registrador

TCCR1B |= (1 << CS10);// | (1 << CS11);

// configura prescaler para 64: CS01 = 1 e CS00 = 1

TIMSK1 |= (1 << TOIE1); // habilita a interrupção do TIMER1

lcd.begin(16, 2);lcd.setCursor(0, 0);lcd.print("P= W");lcd.setCursor(0, 1);lcd.print("S= VA");lcd.setCursor(9, 0);lcd.print("FP=");

}

84

APÊNDICE F – Código paraArduino

// Variáveia para armazenar os resultados

unsigned long tempo_inicio, tempo = 0;unsigned long tempo_fim;unsigned long valor;// constante para configuração do prescaler

const unsigned char PS_16 = (1 << ADPS2);const unsigned char PS_32 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS0);const unsigned char PS_64 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1);const unsigned char PS_128 = (1 << ADPS2) | (1 << ADPS1) | (1 << ADPS0);

int count = 0, t_count = 0;int tensao[100], corrente[100];float pm, ps, vm, im, vef, ief, fp;

ISR(TIMER1_OVF_vect) //interrupção do TIMER1

{//TCNT1 = 0xF595; // Renicia TIMER

TCNT1 = 62950; // Renicia TIMER

if (t_count >= 100) {t_count = 0;for (int i = 0; i < 100; i++) {

// médios

pm = pm + (tensao[i] * 0.60767 - 311.13) * (corrente[i] * 0.05529 - 28.28);

vef = vef + sq(tensao[i] * 0.60767 - 311.13);ief = ief + sq(corrente[i] * 0.05529 - 28.28);

}vef = sqrt(vef / 100);ief = sqrt(ief / 100);ps = vef * ief;pm = pm / 100;fp = pm/ps;

APÊNDICE F. Código para Arduino 85

Serial.print("Tensao eficaz (V): ");Serial.println(tmp_v);Serial.print("Corrente Eficaz (A): ");Serial.println(tmp_i);Serial.print("Potencia ativa (W): ");Serial.println(tmp_p);Serial.print("Potencia aparente (VA): ");Serial.println(tmp_s);Serial.print("Fator de potencia: ");Serial.println(tmp_fp);

vef = 0;ief = 0;pm = 0;ps = 0;fp = 0;}else {tensao[t_count] = analogRead(0);corrente[t_count] = analogRead(1);

}t_count++;

}void setup() {

Serial.begin(9600);ADCSRA &= ~PS_128;ADCSRA |= PS_32;

// Configuração do timer1

TCCR1A = 0; //confira timer para operação normal pinos OC1A e OC1B desconectados

TCCR1B = 0; //limpa registrador

TCCR1B |= (1 << CS10);// | (1 << CS11);

// configura prescaler para 64: CS01 = 1 e CS00 = 1

TIMSK1 |= (1 << TOIE1); // habilita a interrupção do TIMER1

}

86

APÊNDICE G – Código paraARM Cortex

#include "stm32f4xx_conf.h"

#include "stdio.h"

#include <math.h>

typedef enum {wait_convertion=0,data_ready,print

}tipo_exemplo_adc;

void DMA1_ADCReg2Conv_Config(void);void tim_config(void);void adc_port_config(void);void ADC_conf_and_calib (void);void Conf_NVIC (uint8_t NVIC_IRQChannel,uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority,uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority,FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd);

volatile uint16_t ADC_DADO[2];float potencia[10];float reat0[5];float reat1[4];float Ptemp = 0;float P = 0;float Stemp = 0;float S = 0;uint16_t count = 0;

volatile uint16_t ADC_DADO[2];volatile tipo_exemplo_adc estado_exemplo_adc = wait_convertion;

APÊNDICE G. Código para ARM Cortex 87

int main(void){

tim_config();

adc_port_config();ADC_DMA_conf();

// Inicia a TIM2

TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

DMA_ClearFlag(DMA2_Stream0, DMA_FLAG_TCIF0);

ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);

memset(potencia, 0, sizeof(potencia));memset(reat0, 0, sizeof(reat0));memset(reat1, 0, sizeof(reat1));

while(1){

switch (estado_exemplo_adc) {case wait_convertion:if (DMA_GetFlagStatus(DMA2_Stream0, DMA_FLAG_TCIF0)) {DMA_ClearFlag(DMA2_Stream0, DMA_FLAG_TCIF0);estado_exemplo_adc = data_ready;}break;case data_ready:potencia[count/10] += ADC_DADO[0]*ADC_DADO[1];reat0[(count/5)%5] += ADC_DADO[0]*ADC_DADO[0]*ADC_DADO[1]*ADC_DADO[1];

count++;estado_exemplo_adc = wait_convertion;if(count/5 > 0 && count%5 == 0){reat1[(count/25)] += (reat0[((count/5)-1)%5])/5;}if(count/25 > 0 && count%25 == 0){


Stemp += (reat1[(count/25)-1])/5;}

if(count/10 > 0 && count%10 == 0){Ptemp += (potencia[(count/10)-1])/10;}if(count == 100){P = Ptemp/10;

Ptemp = 0;S = (Stemp/4);Stemp = 0;count = 0;memset(potencia, 0, sizeof(potencia));

memset(reat0, 0, sizeof(reat0));memset(reat1, 0, sizeof(reat1));

estado_exemplo_adc = print;}break;case print:

estado_exemplo_adc = wait_convertion;

break;default:

break;}

}}

void tim_config(void){TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = 13999;TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;

TIM_ICInit(TIM1, &TIM_ICInitStructure);


/* TIM enable counter */

TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);

/* Enable the CC2 Interrupt Request */

TIM_ITConfig(TIM1, TIM_IT_CC2, ENABLE);

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_CC_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

}

void adc_port_config(void) {RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2ENR_ADC1EN , ENABLE);GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

//configura porta PC0

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AN;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_100MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_PuPd = GPIO_PuPd_NOPULL;GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

//configura porta PC1

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);

}

void ADC_DMA_conf(void) {ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;ADC_CommonInitTypeDef ADC_CommonInitStructure;DMA_InitTypeDef DMA_InitStructure;

/* Enable ADC1, DMA2 clocks *************************************************/

RCC_AHB1PeriphClockCmd(RCC_AHB1Periph_DMA2, ENABLE);RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);


/* DMA2 Stream0 channel0 configuration **************************************/

DMA_DeInit(DMA2_Stream0);DMA_InitStructure.DMA_Channel = DMA_Channel_0;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBaseAddr = (uint32_t) &ADC1->DR;DMA_InitStructure.DMA_Memory0BaseAddr = (uint32_t) ADC_DADO;DMA_InitStructure.DMA_DIR = DMA_DIR_PeripheralToMemory;DMA_InitStructure.DMA_BufferSize = 2;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralInc = DMA_PeripheralInc_Disable;DMA_InitStructure.DMA_MemoryInc = DMA_MemoryInc_Enable;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralDataSize = DMA_PeripheralDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_MemoryDataSize = DMA_MemoryDataSize_HalfWord;DMA_InitStructure.DMA_Mode = DMA_Mode_Circular;DMA_InitStructure.DMA_Priority = DMA_Priority_High;DMA_InitStructure.DMA_FIFOMode = DMA_FIFOMode_Disable;DMA_InitStructure.DMA_FIFOThreshold = DMA_FIFOThreshold_HalfFull;DMA_InitStructure.DMA_MemoryBurst = DMA_MemoryBurst_Single;DMA_InitStructure.DMA_PeripheralBurst = DMA_PeripheralBurst_Single;DMA_Init(DMA2_Stream0, &DMA_InitStructure);DMA_Cmd(DMA2_Stream0, ENABLE);

/* ADC Common Init **********************************************************/

ADC_DeInit();ADC_CommonInitStructure.ADC_Mode = ADC_Mode_Independent;ADC_CommonInitStructure.ADC_Prescaler = ADC_Prescaler_Div2;ADC_CommonInitStructure.ADC_DMAAccessMode = ADC_DMAAccessMode_Disabled;ADC_CommonInitStructure.ADC_TwoSamplingDelay = ADC_TwoSamplingDelay_20Cycles;ADC_CommonInit(&ADC_CommonInitStructure);

/* ADC1 Init ****************************************************************/

ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_8b;ADC_InitStructure.ADC_ScanConvMode = ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = ENABLE;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConv_T2_CC2;ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = 0;ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;ADC_InitStructure.ADC_NbrOfConversion = 2;ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);


/* Enable ADC1 DMA */

ADC_DMACmd(ADC1, ENABLE);

/* ADC1 regular channel10 (V) & channel11 (I) configuration *****/

ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_10, 1, ADC_SampleTime_480Cycles);ADC_RegularChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_11, 2, ADC_SampleTime_480Cycles);

/* Enable DMA request after last transfer (Single-ADC mode) */

ADC_DMARequestAfterLastTransferCmd(ADC1, ENABLE);

/* Enable ADC1 */

ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);}

void Conf_NVIC (uint8_t NVIC_IRQChannel, uint8_t NVIC_IRQChannelPreemptionPriority,uint8_t NVIC_IRQChannelSubPriority, FunctionalState NVIC_IRQChannelCmd) {

NVIC_InitTypeDef nVICKY;

nVICKY.NVIC_IRQChannel = NVIC_IRQChannel;nVICKY.NVIC_IRQChannelCmd = NVIC_IRQChannelCmd;nVICKY.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = NVIC_IRQChannelPreemptionPriority;nVICKY.NVIC_IRQChannelSubPriority = NVIC_IRQChannelSubPriority;NVIC_Init(&nVICKY);

}

projetoedesenvolvimentodeummedidor defatordepotênciacomarduinounoe armcortex … · 2019. 5....

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