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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO

CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

MPGM – MEDIDOR DE PRESSÃO DE GÁS MICROCONTROLADO


por

Leandro de Almeida Pereira

Antônio de Assis Bento Ribeiro, MestreOrientador

Campinas (SP), dezembro de 2008

UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO


MPGM – MEDIDOR DE PRESSÃO DE GÁS MICROCONTROLADO


por

Leandro de Almeida Pereira

Relatório apresentado à Banca Examinadora doTrabalho de Conclusão do Curso de EngenhariaElétrica para análise e aprovação.Orientador: Antônio de Assis Bento Ribeiro, Msc

Campinas (SP), dezembro de 2008

iii

“Concedei-nos Senhor, Serenidade necessária, para aceitar as coisas que não podemos

modificar, Coragem para modificar aquelas que podemos e Sabedoria para distinguirmos umas das

outras.” (Reihold Niebuhr)

“Quando uma mente se abre à uma nova idéia, jamais volta ao seu tamanho original”(Albert

Eistein)

Dedicatória

Aos meus pais Eraldo XavierPereira e Maria Zenúsia de AlmeidaPereira por se privarem de certos saboresda vida para investi-los em mim afim deensinar-me que na vida basta querer eacreditar para tornar possível tudo aquiloo que desejamos.

Pai, mãe : sem vocês eu nãoseria ninguém.

iv

Agradecimentos

Primeiramente a Deus por ter me dado força e proteção ao longo destes anos longe de casa

Ao Professor Antônio de Assis Bento Ribeiro pela importante orientação dada para a

realização deste trabalho.

À minha irmã Fabiana de Almeida por estar sempre tão perto mesmo estando fisicamente

distante me incentivando nos momentos mais difíceis.

Aos meus familiares,

À minha namorada Tatiana por me acompanhar e me compreender pela dedicação dada a

este trabalho.

Ao Eng° Marco Antônio Duarte Novo e seu irmão Márcio pelo incentivo e enriquecimento

de conteúdo deste trabalho.

Ao meu amigo Marcel Murayama pela parceria e apoio ao longo destes anos além da

presença nos momentos mais importantes

Enfim, agradeço à todos que de alguma maneira contribuíram durante a jornada ao longo de

minha graduação.

v

SUMÁRIO

LISTA DE ABREVIATURAS...............................................................viiiLISTA DE FIGURAS ..............................................................................ixLISTA DE TABELAS..............................................................................xiLISTA DE EQUAÇÕES .........................................................................xiiRESUMO ................................................................................................xiiiABSTRACT ............................................................................................xiv1. INTRODUÇÃO...................................................................................151.1. OBJETIVOS ...................................................................................................... 161.1.1. Objetivo Geral ................................................................................................. 161.1.2. Objetivos Específicos ...................................................................................... 161.2. METODOLOGIA.............................................................................................. 161.3. ESTRUTURA DO TRABALHO...................................................................... 162. ESCOPO DO TRABALHO ...............................................................182.1. FUNCIONAMENTO......................................................................................... 183. MICROCONTROLADORES............................................................193.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 193.2. HISTÓRICO ...................................................................................................... 203.3. MICROCONTROLADOR PIC16F877A........................................................ 214. KIT DE DESENVOLVIMENTO ACEPIC40 ..................................235. SENSORES DE PRESSÃO................................................................255.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 255.2. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO ABSOLUTOS................................... 255.3. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO DIFERENCIAIS .............................. 265.4. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO GAUGE............................................. 275.5. O SENSOR MPX201A ...................................................................................... 276. CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITAIS (A/D)........................296.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 296.2. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS .............................................................. 306.2.1. Faixa Dinâmica................................................................................................ 306.2.2. Resolução ......................................................................................................... 306.2.3. Tempo de Conversão ...................................................................................... 326.2.4. Erro de Linearidade ....................................................................................... 327. COMPILADORES .............................................................................327.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 327.2. CCS C ................................................................................................................. 33

vi

8. SENSORES DE TEMPERATURA...................................................348.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 348.2. SENSOR TERMOPAR..................................................................................... 358.3. SENSOR RTD.................................................................................................... 368.4. SENSORES TERMISTORES.......................................................................... 388.5. SENSORES BASEADOS EM CIRCUITOS INTEGRADOS - SBCI.......... 388.6. RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES DETEMPERATURA ABORDADOS NESTE CAPÍTULO. ..................................... 388.7. SENSOR DE TEMPERATURA LM35........................................................... 399. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS..........................................409.1. DEFINIÇÃO ...................................................................................................... 419.2. SIMBOLOGIA................................................................................................... 419.3. DEFINIÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS ......................... 429.4. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS NÃO INVERSORES................... 439.5. LM358................................................................................................................. 4310. GÁS GLP...........................................................................................4410.1. DEFINIÇÃO .................................................................................................... 4410.2. COMPOSIÇÃO............................................................................................... 4510.3. CARACTERÍSTICAS .................................................................................... 4510.4. POR DENTRO DO RECIPIENTE P-13 ...................................................... 4511. O DESENVOLVIMENTO DO MPGM .........................................4811.1. PRIMEIRAS EXPERIÊNCIAS: CONVERSORES A/D........................... 5011.2. ADEQUANDO O SENSOR DE TEMPERATURA LM35......................... 5311.3. ADEQUANDO O SENSOR DE PRESSÃO MPX201A .............................. 5711.4. CORRELAÇÃO DAS MEDIDAS DE PRESSÃO DO SENSOR DEPRESSÃO MPX201A ............................................................................................... 6111.5. MEDIÇÕES DE PRESSÃO COM O SENSOR MPX201A....................... 6311.6. CORREÇÃO DA PRESSÃO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA ........ 6711.7. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS – DISPLAY BARGRAPH....... 7111.8. IMPLEMENTAÇÃO DO RTC – RELÓGIO DE TEMPO REAL............ 7312.RESULTADOS...................................................................................7413.CONCLUSÃO ....................................................................................7514.CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................76REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................78GLOSSÁRIO ...........................................................................................80APÊNDICE A – FLUXOGRAMA.........................................................81APÊNDICE B – ESQUEMA ELÉTRICO DO TRABALHO..............82ANEXO I – Esquema elétrico do kit ACEPIC40..................................83

vii

ANEXO II – Data sheet do sensor MPX201A.......................................84ANEXO III – AN1573 – Understanding pressure and pressuremeasurement............................................................................................85

LISTA DE ABREVIATURAS

MPGM Medidor de Pressão de Gás MicrocontroladoI2C Protocolo criado pela Philips® para controle múltiplo de periféricos via

porta serial com uma taxa máxima de 100 kbit/sE2PROM Memória Programável Somente para Leitura apagável eletronicamenteSPI Interface Periférica SerialUSART Unidade Síncrona e Assíncrona para Recepção e TransmissãoG GanhoVFSS Tensão de fundo de escalaPOP Pressão de operação (máxima)TCVFSS Coeficiente de temperatura em fundo de escala

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama em blocos do funcionamento .............................................................................18Figura 2. Microcontrolador – Escala de Integração ...........................................................................22Figura 4. Diagrama em blocos do PIC16F877A................................................................................23Figura 5. Kit de Desenvolvimento ACEPIC40 ..................................................................................24Figura 6. Sensor de Pressão Absoluto................................................................................................26Figura 7. Sensor de Pressão do tipo diferencial .................................................................................26Figura 8. Sensor de Pressão tipo Gauge.............................................................................................27Figura 9. Sensor de Pressão MPX201A.............................................................................................28Figura 10. Coeficiente de Temperatura..............................................................................................28Figura 11. Essência de um compilador ..............................................................................................33Figura 12. Interface do software PCW C Compiler ...........................................................................34Figura 13. Diagrama em blocos ilustrando o uso de um termopar ....................................................35Figura 14. Ilustração de um sensor de temperatura tipo RTD ..........................................................37Figura 15. LM35: (a) Encapsulamento TO-92; (b) Aplicação típica. ...............................................40Figura 16. Simbologia de Amp.Op.: (a) Sem referência ao GND; (b) Referenciado ao GND..........41Figura 17. Simbologia de um Amplificador Operacional .................................................................42Figura 18. Simbologia de um Amplificador Operacional .................................................................42Figura 19. Amplificador Operacional Não Inversor ..........................................................................43Figura 20. Diagrama em blocos do LM358 ......................................................................................44Figura 21. Por dentro do recipiente P-13 ..........................................................................................46Figura 22. Propósito do MPGM.........................................................................................................48Figura 23. Modo de apresentação dos resultados...............................................................................49Figura 24. Primeiro algoritmo para teste do conversor A/D..............................................................51Figura 25. Gravação do Algoritmo no Microcontrolador ..................................................................52Figura 26. Primeira experiência com o conversor A/D......................................................................53Figura 27. Primeiras medições com o sensor de temperatura LM35 .................................................54Figura 28. Primeiro algoritmo para leitura da temperatura usando o LM35......................................55Figura 29. Resultado do teste do primeiro algoritmo de temperatura. ...............................................55Figura 30. Etapa de amplificação de sinal para o LM35....................................................................56Figura 31. Montagem da amplificação do LM35 no Proto-Board.....................................................56Figura 32. Algoritmo de leitura da temperatura considerando o ganho do Amp.OP.........................57Figura 33. Invólucro do sensor de pressão MPX201A ......................................................................58Figura 34. Adaptação: (a) Seringa; (b) Selamento; (c) Disposição ; (d) Simulação de Pressão........59Figura 35. Algoritmo de leitura do Sensor de Pressão.......................................................................60Figura 36. Teste de medição do Sensor MPX201A...........................................................................61Figura 37. Algoritmo de diferenciação de tensão entre os terminais do sensor.................................62Figura 38. Ajuste para medição do sensor de pressão (multímetro em escala de mV)......................63Figura 39. Adaptações para sensor de pressão: (a) Seringas; (b) Detalhe seringa com sensor..........64Figura 40. Técnica para a validação da medida de pressão ...............................................................64Figura 41. Medição de pressão...........................................................................................................66Figura 42. Tensão x Pressão: (a) Datasheet ; (b) Aproximado ..........................................................67Figura 43. Resultado obtido mediante simulação ..............................................................................67Figura 44. Medição da pressão com correção de temperatura ...........................................................69Figura 45. Resultado obtido mediante simulação ..............................................................................70Figura 46. Dados da Calibração do Medidor de Temperatura ...........................................................71Figura 47. Código para apresentação do Bargraph no display...........................................................72

x

Figura 48. Teste da indicação bargraph (foto real tirada do ACEPIC40) ..........................................72Figura 49. Teste da indicação bargraph (Algoritmo desenvolvido)...................................................73Figura 50. RTC em uso: (a) Montagem no proto board; (b) Resultado no display ...........................74Figura 51. Função de Segurança: (a) Alerta de segurança 1; (b) Alerta de segurança 2 ...................74Figura 52. Medição de Pressão ..........................................................................................................75Figura 53. Fluxograma .......................................................................................................................81Figura 54. Esquema elétrico do trabalho desenvolvido .....................................................................82

xi

LISTA DE TABELAS

Tabela 1. Tipos e características dos Termopares comerciais mais conhecidos................................36Tabela 2. Variação da resistência de um RTD em função da temperatura: .......................................37Tabela 3. Características dos Sensores de Temperaturas mais conhecidos: ......................................39Tabela 4. Características dos Recipientes Transportáveis de GLP: ...................................................45Tabela 5. Caracterização da medida de pressão:................................................................................66Tabela 6. Caracterização da medida de pressão com correção de temperatura: ................................70

LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 1 ...........................................................................................................................................30Equação 2 ...........................................................................................................................................31Equação 3 ...........................................................................................................................................31Equação 4 ...........................................................................................................................................31Equação 5 ...........................................................................................................................................37Equação 6 ...........................................................................................................................................41Equação 7 ...........................................................................................................................................43Equação 8 ...........................................................................................................................................55Equação 9 ...........................................................................................................................................57Equação 10 .........................................................................................................................................62Equação 11 .........................................................................................................................................65Equação 12 .........................................................................................................................................65Equação 13 .........................................................................................................................................68Equação 14 .........................................................................................................................................69Equação 15 .........................................................................................................................................70

RESUMO

PEREIRA, Leandro de Almeida. MPGM – Medidor de Pressão de Gás Microcontrolado.Campinas, 2008. 78p. Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas,2008.

Este trabalho apresenta um projeto de um medidor de pressão de gás microcontrolado com base nomicrocontrolador PIC16F877A fabricado pela Microchip® para a simulação de medição de pressãoem recipientes transportáveis P-13 de gás GLP. O projeto foi desenvolvido utilizando-se o kit dedesenvolvimento ACEPIC40 fabricado pela ACEPIC. As medições de pressão foram efetuadasfazendo-se do uso de um sensor de pressão de estado sólido, o MPX201A fabricado pela Motorola,sendo que o circuito projetado realiza a correção das medidas em função da temperatura ambiente.Os resultados das medições são apresentados de modo gráfico em um display de Cristal Líquido de16 colunas e 2 linhas em conjunto com a data e hora atuais. O circuito detém a função de alarmecaso a mangueira utilizada na conexão entre o recipiente de gás e o fogão apresente-se fora do prazode validade. As etapas de desenvolvimento são apresentadas desde os fundamentos teóricospassando pela programação do microcontrolador e posteriormente a apresentação dos resultados dassimulações.

Palavras-chave: PIC16F877A, Monitoramento de Pressão, ACEPIC40.

ABSTRACT

This research work presents the design of a Microcontroller Gas Pressure Meter, based onmicrocontroller (MCU) PIC16F877A, manufactured by Microchip® used on the simulation of theexisting pressure of transportable GLP Gas container model P-13. This Design was develop usingthe ACEPIC40 Development Kit, manufactured by ACEPIC. The Pressure Measurements was doneusing a Solid-State pressure sensor, MPX201A manufactured by Freescale Semiconductor,designed to make possible the measurements corrections in function of the Temperature. Thesemeasurements results are presented in a graphics mode, using a Liquid Cristal Display - LCD of 16columns and 2 lines, also showing the data and time parameters. The application circuit has aspecial alarm function that informs if the pipeline used to connect the stove with the gas containeris out of date or not. All the development stages are presented covering since the TheoreticalFundamentals of the used technique, passing through programming the microcontroller and finallyshowing the simulation results.

Keywords: PIC16F877A. Pressure Monitoring. ACEPIC40.

1. INTRODUÇÃO

O desejo de realizar melhorias em processos como um todo fez com que o homem

aprimorasse sua percepção para a criação de novas tecnologias que estão cada vez mais presentes

em nosso cotidiano. O desenvolvimento de projetos voltados à comunidade costuma abordar

propostas de melhorias que se traduzem em praticidade, possibilidades de aumento da segurança e

da comodidade. Com este propósito, o MPGM – Medidor de Pressão de Gás Microcontrolado –

apresenta um sistema capaz de realizar o monitoramento da pressão de gás quantidade de gás

disponível dentro de recipientes transportáveis de GLP P-13 típicos para uso doméstico.

Os dispositivos Microprocessados nos habilitam a desenvolver aplicações cada vez mais

poderosas e complexas usando das tecnologias difundidas no mundo atual. O projeto proposto por

este trabalho utiliza um microcontrolador de 14 bits : o PIC16F877A fabricado pela Microchip®.

Este microcontrolador possui interfaces de leituras analógicas e saídas digitais necessárias para o

desenvolvimento do trabalho. Para monitoramento da pressão é utilizado o sensor de pressão de

estado sólido MPX201A fabricado pela Motorola. Este sensor interage com a mudança de pressão

no ambiente inserido, variando sua tensão em seus terminais de saída. Esta variação de tensão é

interpretada pelos conversores analógico-digitais do microcontrolador que converte a tensão em

unidade de força correspondente e apresenta o resultado em um display de cristal líquido. O

software gravado internamente nesta unidade de processamento foi desenvolvido e compilado

utilizando-se a linguagem C e suas ferramentas apropriadas.

Conforme o recipiente de GLP P-13 é utilizado, sua pressão interna diminui. O gás que a

princípio encontra-se cerca de 85% na forma líquida vaporiza-se no momento em que é expelido

pela válvula de segurança, posteriormente passando pelo registro chegando até os queimadores do

fogão, permitindo assim a combustão do mesmo. Entre o recipiente de gás e a entrada do fogão

acoplamos o sensor que efetua as amostragens da pressão. Conforme a pressão do gás dentro do

recipiente diminui a indicação mostrada pelo display de cristal líquido também diminui mostrando

ao usuário a informação da proporção ainda disponível no recipiente.

16

1.1. OBJETIVOS

1.1.1. Objetivo Geral

Desenvolver um circuito eletrônico microcontrolado capaz de realizar medições e

monitoramento da pressão de gás contido em recipientes transportáveis de GLP P-13, fazendo o uso

e aplicações do microcontrolador PIC16F877A e do sensor de pressão MPX201A.

1.1.2. Objetivos Específicos

Os objetivos específicos deste trabalho serão:

• Apresentar um circuito microcontrolado que realize medição de pressão de gás;

• Desenvolver o software a ser gravado no microcontrolador fazendo o uso da linguagem

C utilizando ferramentas específicas;

1.2. METODOLOGIA

A metodologia a ser utilizada para o desenvolvimento deste trabalho envolve o estudo das

matérias cursadas ao longo da graduação pertinentes ao tema além do estudo dos componentes

eletrônicos, do uso do kit de desenvolvimento ACEPIC40 e da linguagem de programação C.

1.3. ESTRUTURA DO TRABALHO

No capítulo 2 é apresentado o escopo do projeto, sua funcionalidade e diagrama em blocos.

No capítulo 3 são apresentados os microcontroladores, sua definição, histórico além da

apresentação do microcontrolador utilizado no desenvolvimento do trabalho.

No capítulo 4 é apresentado o Kit de Desenvolvimento ACEPIC40, adquirido durante o

desenvolvimento do trabalho.

No capítulo 5 são apresentados os Sensores de Pressão, sua definições e características.

Posteriormente é apresentado o sensor utilizado na realização deste trabalho.

17

No capítulo 6 é feita a definição de um conversor Analógico-Digital para um melhor

entendimento da lógica utilizada no desenvolvimento do trabalho.

No capítulo 7 podemos conferir a definição de um software do tipo Compilador além de

podermos acompanhar a definição do Software utilizado para o desenvolvimento deste trabalho.

No capítulo 8 podemos verificar os tipos e as características dos sensores de temperatura

mais comuns, além de verificarmos o funcionamento do sensor de temperatura utilizado para o

desenvolvimento deste trabalho, o LM35.

No capítulo 9 são apresentados os Amplificadores Operacionais. Ao final deste capítulo é

apresentado o LM358, que fora utilizado no desenvolvimento deste trabalho.

No capítulo 10 é apresentado o gás do tipo GLP, suas descrições e características.

O capítulo 11 aborda todo o desenvolvimento deste trabalho

O capítulo 12 apresenta os resultados deste trabalho

No capítulo 13 podemos acompanhar as conclusões deste trabalho

No capítulo 14 podemos verificar as considerações finais a respeito deste trabalho.

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2. ESCOPO DO TRABALHO

Este capítulo apresentará em síntese o escopo do trabalho : sua idéia de funcionamento e seu

diagrama de funcionamento em blocos.

2.1. FUNCIONAMENTO

Na figura 1 podemos observar o diagrama em blocos deste trabalho :

Figura 1. Diagrama em blocos do funcionamento

Como podemos observar todo o gerenciamento das funções e componentes do trabalho são

feitas utilizando-se o circuito microcontrolado desenvolvido utilizando-se da plataforma de testes

ACEPIC40. A pressão é medida utilizando-se o sensor de pressão MPX201A da Motorola (sensor

de pressão de estado sólido do tipo absoluto) e os resultados são processados pelo microcontrolador.

Um sensor de temperatura externo é colocado muito próximo ao sensor de pressão de forma que o

circuito seja capaz de realizar a correção das leituras a medida em que a temperatura ambiente

varie. As leituras feitas pelo sensor de temperatura são amplificadas numa ordem de 2.5x de forma

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que o sinal seja acondicionado para um melhor processamento dos sinais. Os resultados das

medidas são mostradas de modo gráfico em um Display de Cristal Líquido (LCD) de 16 colunas e 2

linhas. Para o gerenciamento de data e hora foi implantado via I2C um RTC modelo DS1307 (Real

Time Clock – Relógio de Tempo Real) que possibilita ao PIC16F877A realizar o controle da data e

hora atuais. Com a aplicação deste circuito o projeto também realiza a gerência da data de

vencimento da mangueira (que faz a conexão entre o botijão e o fogão). Uma bateria de back-up (3

volts) garante o funcionamento do relógio mesmo quando ocorrer uma queda de tensão na rede de

energia.

3. MICROCONTROLADORES

Este capítulo apresentará em síntese, toda a fundamentação teórica necessária para a

interpretação deste projeto abrangendo os componentes e dispositivos utilizados para a realização

deste trabalho bem como a história, os conceitos e exemplos de aplicações quando forem aplicáveis.

3.1. DEFINIÇÃO

Microcontroladores são dispositivos eletrônicos na forma de circuitos integrados capazes de

realizar processamentos de sinais e gerenciamento de periféricos de modo geral por meio da

execução de uma programação interna utilizando-se de um mínimo de Hardware, uma vez que

possuem internamente toda a estrutura de um microcomputador (memória RAM, ROM, EEPROM,

conversores, timer´s e etc) acopladas em sua alta escala de integração que é mostrada na figura 2:

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Figura 2. Microcontrolador – Escala de Integração

Fonte: Adaptado de Corteletti, Daniel (2006)

3.2. HISTÓRICO

A primeira aparição de um circuito microprocessado em escala de integração surgiu em

1971 quando a japonesa Busicom contratou a norte-americana Intel para o desenvolvimento de um

microprocessador de 4 bits afim de equipar calculadoras portáteis. Nascia então o modelo 4004, um

microprocessador capaz de realizar as quatro operações matemáticas utilizando-se de uma pastilha

com poder de processamento com tamanho e custo inúmeras vezes menor do que os primeiros

computadores que se têm notícia.

Com o desenvolvimento da tecnologia e o avanço da escala de integração pouco tempo

depois surgiram processadores mais evoluídos como por exemplo o 8008 da Intel ou o famoso Z-80

da Zilog. Esses modelos clássicos foram utilizados em inúmeras aplicações de automação com

gerenciamento de periféricos e processamento de sinais sendo que algumas aplicações continuam

ativas até os dias de hoje.

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O uso de microprocessadores expandiu bastante a possibilidade de criação de novos

produtos, porém quanto mais complexas ficavam as aplicações, mais complexo ficavam os

hardwares existindo a necessidade da aplicação de componentes externos para a realização do

processamento, mapeamento de memória e análise de sinais. Esta dificuldade se traduzia no custo

final do projeto além de promover uma maior inerência a falhas ocasionadas pelo funcionamento

não adequado de algum componente do circuito.

Para solucionar esse problema surgiram os microcontroladores, circuitos integrados que

realizam as mesmas funções dos microprocessadores utilizando um número menor de hardware

para executar as funções de processamento obtendo assim maior confiabilidade. Com o uso dos

microcontroladores, o hardware foi substancialmente reduzido por não ser mais necessário utilizar-

se de memórias, conversores, endereçadores e vários outros componentes que contribuíam para a

redução do custo final e do tamanho dos projetos e conseqüentemente com a instabilidade do

funcionamento e com o aumento do índice de falhas dependendo da aplicação.

3.3. MICROCONTROLADOR PIC16F877A

No desenvolvimento deste trabalho, foi utilizado o microcontrolador PIC16F877A com

encapsulamento P-DIP de 40 pinos fabricado pela Microchip®. Trata-se do mais poderoso

microcontrolador da família 16F. Desenvolvido com a tecnologia RISC o PIC16F877A oferece uma

alta performance por um preço muito competitivo sendo facilmente encontrado no mercado

brasileiro. Suas principais características são listadas conforme a seguir:

• Microcontrolador de 40 pinos: possibilita o desenvolvimento de projetos complexos;• Via de programação com 14 bits e 33 instruções;• Clock de operação: Desde DC até 20MHz;• 33 portas configuráveis como entrada ou saída;• 15 interrupções disponíveis;• Memória de programação E2PROM FLASH, que permite a gravação rápida do programa

diversas vezes no mesmo chip sem a necessidade de apagá-lo por meio da luz ultravioleta;• Memória de programa com 8kwords com capacidade de escrita e leitura pelo próprio

código interno;• Memória E2PROM (não-volátil) interna com 256 bytes;• Memória RAM com 368 bytes;• Três timers (2x8 bits e 1x16 bits);

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• Comunicações seriais : SPI, I2C e USART;• Conversores analógicos de 10 bits (8x) e comparadores analógicos (2x);• Dois módulos CCP : Capture Compare e PWM;• Programação In circuit (alta e baixa tensão);• Power-On Reset interno;• Brown-out Reset interno.

A figura 3 mostra o esboço deste encapsulamento e apresenta a relação dos terminais deste

componente:

Figura 3. Microcontrolador PIC16F877A

Fonte: Adaptado de Microchip – 16F87XA – Data Sheet (2003)

Como anteriormente mencionado, os microprocessadores e microcontroladores obedecem a

ordem lógica de uma arquitetura interna para realizar as tarefas previamente programadas pelo

desenvolvedor do sistema. A arquitetura interna do PIC16F877A é do tipo Harvard de forma que o

microcontrolador continua trabalhando com variáveis da memória ao mesmo tempo em que faz o

processamento do software interno resultando assim em uma maior eficiência de funcionamento.

23

Na figura 4 podemos observar o diagrama em blocos do PIC16F877A:

Figura 4. Diagrama em blocos do PIC16F877A

Fonte: Adaptado de Microchip® – 16F87XA – Data Sheet (2003)

4. KIT DE DESENVOLVIMENTO ACEPIC40

Este capítulo apresenta o Kit de Desenvolvimento utilizado para o desenvolvimento deste

trabalho. Trata-se de uma plataforma de testes criada para o aprendizado e testes práticos para

circuitos com o PIC16F877A. O ACEPIC40, desenvolvido e comercializado pela ACEPIC foi

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utilizado como base de aprendizado e testes para a apresentação do projeto proposto e pode ser

observado na figura 5:

Figura 5. Kit de Desenvolvimento ACEPIC40

O ACEPIC40 utiliza periféricos para a interação com o meio externo. Esses periféricos

auxiliam no desenvolvimento dos circuitos. O acesso a todos os ports por meio de conectores

facilita o ensaio com diferentes itens de hardware. Como características gerais deste kit, podemos

citar:

• Display de Cristal Líquido de 16 colunas e 2 linhas com backlight;• Display de 7 segmentos;• Led´s para monitoramento de status;• Teclado Matricial com 16 teclas;• 2 Conversores Analógico-Digitais;• Memória serial 24C04;• USART (Unidade Síncrona ou Assíncrona de Recepção e Transmissão)• Gravação On-Board e interface para gravação In-Circuit.

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5. SENSORES DE PRESSÃO

Podemos avaliar este componente como um dos principais utilizados para a realização deste

trabalho uma vez que todo o resultado coletado depende do bom funcionamento deste sensor. Este

capítulo apresenta o sensor de pressão, seu princípio de funcionamento, seus tipos e particularidades

procurando abordar o sensor MPX201A fabricado pela Motorola e utilizado para a realização deste

trabalho.

5.1. DEFINIÇÃO

Sensores de Pressão são elementos que monitoram a quantidade de força aplicada em

determinada quantidade de área entre um material ou meio e outro, podendo basicamente converter

a pressão ou força de deslocamento em nível elétrico de sinal.

Uma membrana denominada diafragma sofre deformidades ao longo de sua área quando

aplicada uma diferença de pressão. Essa deformidade faz com que esse elemento varie o valor de

sua resistência. Essa alteração de valores faz com que o sensor apresente diferentes níveis de tensão

a medida em que a pressão varia. É dessa maneira que o sensor atua: variando sua resistividade em

função da pressão aplicada.

Os Sensores de Pressão são comumente comercializados em três diferentes tipos: Sensores

do tipo Absolutos, Sensores do tipo Diferenciais e Sensores do tipo Gauge todos variando sua

aplicação e também sua capacidade de medição.

5.2. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO ABSOLUTOS

Sensores de Pressão do tipo absolutos possuem como referência o vácuo (0 PSI), tendo

apenas um dos lados acessíveis para a realização de medidas. Esses sensores não dependem de outra

grandeza de básica para traçar uma referência de medição, ou seja, o resultado obtido na medição

direta deve ser considerado. A figura 6 ilustra o diagrama deste sensor:

26

Figura 6. Sensor de Pressão Absoluto

Fonte: Adaptado de Motorola – Pressure Sensor Distributor Handbook (1996)

A pressão exercida no diafragma faz com que esta membrana sofra um deslocamento sendo

amortecido por uma referência selada de vácuo. Este deslocamento altera a resistividade dos

terminais de saída apresentando uma tensão característica que possibilita uma correlação entre

tensão e a pressão exercida no componente.

5.3. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO DIFERENCIAIS

A figura 7 ilustra a estrutura interna deste sensor, que tem seu princípio de funcionamento

explicado na seqüência:

Figura 7. Sensor de Pressão do tipo diferencial


Diferentemente do sensor do tipo absoluto, este sensor recebe a pressão dos dois lados do

diafragma. Estas duas pressões distintas aplicadas provocam a deformação desta membrana

ocasionando a mudança da resistividade entre os terminais de saída resultando numa diferença de

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potencial. A deformação desta membrana com a conseqüente tensão obtida nos terminais de saída

serão proporcionais à diferença da pressão exercidas no sensor.

5.4. SENSORES DE PRESSÃO DO TIPO GAUGE

Bem parecido com o princípio do sensor do tipo diferencial, este sensor também realiza a

medição utilizando-se dos dois lados de seu elemento, porém um desses lados mantém a referência

da pressão do ambiente em que está inserido. A figura 8 ilustra a estrutura interna deste sensor.

Figura 8. Sensor de Pressão tipo Gauge


Uma aplicação típica e conhecida desse tipo de sensor seria a medição da pressão sangüínea

de um paciente.

5.5. O SENSOR MPX201A

O Sensor de Pressão Absoluta adotado para a realização deste trabalho é o MPX201A, um

sensor fabricado pela Motorola que opera com uma faixa de alimentação de 3V a 6V possuindo

uma capacidade de medição de pressão entre 0 e 200kPA podendo atuar em qualquer temperatura

desde -40ºC até +125ºC. São sensores que detém a tecnologia “X-Ducer” ou seja, seu princípio de

funcionamento está na análise de deformação do diafragma. Possui um excelente fator de

repetibilidade e estabilidade mantendo uma ótima relação de precisão mesmo mudando-se a

temperatura dentro do seu range de atuação. Maiores detalhes de construção deste sensor é

mostrada na figura 9:

28

Figura 9. Sensor de Pressão MPX201A


A figura 10 ilustra a o efeito da variação da temperatura e sua interferência para com este

sensor.

Figura 10. Coeficiente de Temperatura

Fonte: Adaptado de Motorola MPX200 MPX201 - datasheet - (ano de publicação não disponível)

29

Esta variação de temperatura pode ser perfeitamente compensada durante o processo de

medição. A Motorola utiliza as Notas de Aplicação AN840 e AN922 para explicar essa variação de

coeficiente garantindo as medidas dentro das especificações declaradas desde que o sensor seja

submetido a medições dentro da faixa permitida de temperatura.

6. CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITAIS (A/D)

Este capítulo apresentará uma introdução sobre os conversores analógico-digitais, seus

princípios de funcionamento e suas aplicações práticas no trabalho.

6.1. DEFINIÇÃO

As manifestações e fenômenos da natureza são amplamente estudados para um constante

entendimento e aprendizado afim de que o homem possa explicar acontecimentos, prever

tendências ou até mesmo evitar catástrofes. Esses acontecimentos ocorrem dentro de um mundo

analógico já que não obedecem uma lógica combinacional tornando difícil ou praticamente

impossível a interpretação e o processamento dessas manifestações caso não fossem os conversores

Analógico-Digitais.

Conversores Analógico-Digitais (A/D) são circuitos capazes de transformar uma amostra de

um sinal analógico em um sinal digital (binário) durante num intervalo de tempo usando-se da

técnica da quantização. Quantização pode ser definida como um processo de correlação de um valor

a uma referência por meio do uso de aproximações. Esta é prática adotada pelos conversores A/D e

D/A para o processamento dos sinais diversos. Com o uso dos conversores, os circuitos digitais

conseguem realizar o processamento de diversos sinais contidos na natureza possibilitando assim o

estudo do homem e o desenvolvimento de novas tecnologias.

Em 1928, H.Niquist provou que um sinal analógico que tenha passado por um filtro passa-

baixas com freqüência de corte FC pode ser completamente reconstituído a partir de um número de

amostras que fosse o dobro do sinal de amostragem. Esse argumento é a base da construção e

aplicações dos Conversores Analógicos - Digitais os quais têm as principais características descritas

a seguir:

30

6.2. PRINCIPAIS CARACTERÍSTICAS

Para a correta utilização dos conversores Analógico-Digitais algumas características devem

ser observadas para o correto funcionamento do circuito. Dentre estas características podemos citar:

Faixa Dinâmica, Resolução, Tempo de Conversão e Linearidade.

6.2.1. Faixa Dinâmica

A Faixa Dinâmica de um conversor A/D ou D/A pode ser entendido como o range de

operação do sinal analógico (geralmente na escala de tensão) dentro da região linear de uso do

conversor. O sinal de entrada deve ser acondicionado de forma a aproveitar ao máximo essa escala

útil de utilização do conversor, que geralmente trabalham com amplitudes de sinais desde 0,1 V até

10V.

6.2.2. Resolução

Entende-se por resolução de um Conversor Analógico Digital a máxima capacidade em

transferir a precisão da amostragem do sinal analógico ao valor quantizado (digital). É a menor

quantidade de sinal que pode ser convertida dentro da faixa dinâmica do sinal de entrada. A

resolução está diretamente relacionada com a quantidade de bits do conversor, ou seja, quanto mais

bits utilizados maior será a resolução do conversor.

É possível realizarmos o cálculo da resolução de um determinado conversor. Para tanto

devemos conhecer a tensão de referência aplicada ao conversor bem como a quantidade de bits a ser

processada pelo mesmo. A equação 1 mostra como devemos proceder para calcularmos a resolução

de um conversor Analógico Digital :

Resolução = Vref / 2n Equação 1

Onde Vref = Tensão de referência, n = número de bits do Conversor.

Para um exemplo prático colocaremos um exemplo de cálculo da resolução da medida de

um conversor sabendo-se que a tensão de referência seja de 5 volts e a resolução a ser considerada é

31

a de 8 bits. A equação 2 revela o cálculo necessário para obtenção do passo de tensão para este

caso:

Resolução = 5 / 28

Resolução = 5 / 256

Resolução = 0,01953125 V = 19,53125 mV

Equação 2

Isso quer dizer que com uma tensão de 5 volts e utilizando-se de um conversor que forneça 8

bits de amostragem, cada bit corresponderá ao valor de 19,53125mV.

Cada um dos n bits quem compõem a informação digital representam uma parcela do valor

da tensão analógica a ser convertida, de forma que a soma de todas as contribuições de cada um dos

n bits formam a tensão de entrada do conversor A/D. Assim a parcela de tensão proporcional ao bit

m do conversos A/D pode ser calculada pelo uso da equação 3:

Ventrada = [bm 2(m-1) /2 n] Vref Equação 3

Em que bm é o valor do bit m, ou seja, 0 ou 1.

Podemos perceber que apenas os bits 1 representam algum valor em termo de tensão

analógica, uma vez que os bits em zero não contribuem para formar a tensão de entrada.

Suponhamos que como resultado da conversão da tensão de 5 volts obtivemos o código binário

1101. Podemos calcular a tensão na entrada do Conversor no momento da aquisição, bastando

aplicar a fórmula da equação 4 que é mostrada a seguir :

Ventrada = [(1x23 + 1x22 + 0x21 + 1x20 )/ 28]*5

Ventrada = 0,25390625 V = 253,90625 mV

Equação 4

32

6.2.3. Tempo de Conversão

Entende-se por Tempo de Conversão o período necessário utilizado pelo conversor para a

obtenção do valor apresentado em seus terminais de saída mediante o processamento do sinal

aplicado em sua entrada. De modo geral um circuito com menor resolução apresenta um menor

tempo de conversão do que um circuito com mais bits de quantização. No mercado podemos

encontrar tempos de conversão desde a ordem de segundos até sub - nanosegundos. Este tempo é

importante para definir uma máxima freqüência possível a ser convertida a partir de um sinal de

entrada variante no tempo.

6.2.4. Erro de Linearidade

Entende-se por Erro de Linearidade a diferença do valor obtido quando comparado com uma

reta real, sendo expresso em porcentagem relativo ao valor total ou em número de bits. Um erro de

linearidade de ±0,4% equivale a uma linearidade de ± 1 bit num conversor de 8 bits.

7. COMPILADORES

Este capítulo fará a introdução aos compiladores de uso geral abrangendo posteriormente

dados referentes ao compilador utilizado para o desenvolvimento deste trabalho.

7.1. DEFINIÇÃO

Compiladores são programas de computador que detém a função de transformar uma

determinada programação (de alto ou baixo nível) em um arquivo que será compreendido e

interpretado posteriormente pelo processador. São ferramentas extremamente úteis já que os dados

a serem inseridos nos processadores não são compreensíveis pelo homem. Os compiladores podem

abranger diversas linguagens de programação como, por exemplo: Assembly, C, Pascal, Basic,

Ladder entre outras.

33

Figura 11 ilustra o princípio de funcionamento de um compilador :

Figura 11. Essência de um compilador

Fonte: Adaptado de Corteletti, Daniel (2006)

7.2. CCS C

O CCS C é um compilador para Microcontroladores com base na utilização da linguagem C

que é uma linguagem intermediária, de mais alto nível que linguagem Assembly e mais baixo nível

do que as demais linguagens. Este compilador conta com o suporte aos modelos de

microcontrolador PIC de 8 bits (família 12, 16 e 18). É basicamente constituído em três módulos

compiladores diferentes:

• PCB: Suporta dispositivos de 12 bits (séries PIC12 e PIC16C5XX);• PCM: Suporta dispositivos de 14 bits (séries PIC14000 e PIC16XxXXX);• PCH: Suporta dispositivos de 16 bits (série PIC18).

Para a realização desse trabalho foi utilizada a versão 3.207 deste software, utilizando-se as

referências das matérias cursadas ao longo do curso. A figura 12 ilustra a interface deste software.

Este trabalho foi desenvolvido fazendo-se uso do ambiente Windows Vista®.

34

Figura 12. Interface do software PCW C Compiler

8. SENSORES DE TEMPERATURA

Este capítulo abordará o funcionamento dos sensores de temperatura mais comumente

encontrados no mercado, destacando o uso do sensor utilizado para o desenvolvimento do trabalho:

o LM35.

8.1. DEFINIÇÃO

São componentes eletrônicos capazes de fornecer uma tensão de saída proporcional a

temperatura do meio em que estão inseridos. Para uma melhor adequação a projetos que dependem

da medição de temperatura, esses sensores podem ser encontrados em diversos encapsulamentos

atendendo a um grande range de temperatura. Basicamente existem quatro tipos de sensores de

temperatura:

• Termopar• RTD (Detector de Temperatura Resistivo)• Termistores

35

• Sensores Baseados em Circuitos Integrados.

Cada tipo de sensor é indicado para determinada aplicação e faixa de temperatura. O

termopar é mais indicado para altas temperaturas, já o RTD para as baixas temperaturas. O uso de

Termistores está relacionado com aplicações que requerem o máximo de precisão, enquanto o uso

de sensores baseados em Circuitos Integrados oferecem boa estabilidade sendo o de uso mais

simples uma vez que não necessitam de nenhuma técnica de linearização.

8.2. SENSOR TERMOPAR

O Sensor Termopar são constituídos por duas hastes de metais condutores soldados em uma

das extremidades. Possuem diferentes combinações que são obtidas pelo uso de diferentes metais. A

simbologia de um termopar é apresentada na figura 13 mostrada a seguir:

Figura 13. Diagrama em blocos ilustrando o uso de um termoparFonte: Adaptado de KILIAN, Christopher T. Modern Control Technology: Components andSystems, Capítulo 6, 2a edição, Delmar Thomson Learning (2000).

36

.A Tabela 1 mostra os tipos de termopares mais utilizados e suas principais características:

Tabela 1. Tipos e características dos Termopares comerciais mais conhecidos

Fonte: Adaptado de Zanco, Wagner da Silva (2006)

O Sensor Termopar tem um simples funcionamento: quando a junção dos metais na

extremidade é submetida a uma temperatura na sua outra extremidade aparece uma tensão. Essa

tensão é então relacionada com o Coeficiente de Seeback possibilitando assim as leituras de

temperatura.

Efeito Seebeck : É o princípio da criação de uma voltagem proporcional à temperatura

resultante de um circuito composto por dois metais distintos.

8.3. SENSOR RTD

Fabricado com metais como platina, níquel ou cobre e por possuir elementos resistivos, o

RTD necessita de uma fonte de corrente estável para obter uma melhor linearidade. Este sensor

Tipo deTermopar

MateriaisCondutores

Faixa de Temperatura(ºC)

Coeficiente de Seebeck(@20ºC)

E Cromel (+)Constantan (-) -200 a 900 62µV/ºC

J Ferro (+)Constantan (-) 0 a 760 51µV/ºC

T Cobre (+)Constantan (-) -200 a 371 40µV/ºC

K Cromel (+)Alumínio (-) -200 a 1260 40µV/ºC

N Nicrosil (+)Nisil (-) 0 a 1260 27µV/ºC

BPlatina (30% de

ródio ) (+)Platina (6% de

Ródio)(-)

0 a 1820 1µV/ºC

SPlatina (10% de

Ródio)(+)Platina (-)

0 a 1480 7µV/ºC

RPlatina (13% de

Ródio)(+)Platina (-)

0 a 1480 7µV/ºC

37

varia sua resistência de acordo com a mudança da temperatura do meio o qual está inserido. A

figura 14 mostra a construção típica de um sensor RTD:

Figura 14. Ilustração de um sensor de temperatura tipo RTDFonte: Adaptado de Zanco, Wagner da Silva (2006)

Os sensores RTD possuem uma desvantagem: sofrem pequena variação de resistência ao

longo da faixa de atuação, exigindo algoritmos de linearização para sua correta interpretação com o

uso em circuitos microprocessados. A tabela 2 ilustra esta pequena variação da resistividade em

função da grande variação de temperatura.

Tabela 2. Variação da resistência de um RTD em função da temperatura:

Temperatura (ºC) Resistência (Ω)-200 23-100 61,5100 100200 138,5300 177400 215,5500 254600 292,5700 331800 369,5

Fonte: Adaptado de Zanco, Wagner da Silva (2006).

Para calcular a resistência absoluta de um RTD para uma dada temperatura, utilizamos a

fórmula da equação 5 que é apresentada a seguir:

RTD(T) = RTD + (T x RTD x 0,00385) Equação 5

Onde:

38

• RTD(T) = Valor da resistência do RTD a temperatura TºC• RTD = Resistência específica do RTD a 0ºC• T = Temperatura ambiente onde se encontra o RTD

8.4. SENSORES TERMISTORES

São sensores construídos com elementos resistivos e estão classificados em PTC e NTC. O

PTC possui coeficiente positivo aumentando sua resistividade conforme o aumento da temperatura

enquanto que o NTC possui coeficiente negativo diminuindo sua resistência conforme o aumento da

temperatura. Assim como o RTD os termistores precisam da passagem de ma corrente elétrica para

excitação. A grande diferença dos termistores com relação aos RTC´s é a variação da resistência de

acordo com a temperatura: enquanto o RTC sofre uma pequena variação de resistividade ao longo

de sua faixa de atuação apresentando uma variação quase linear, o termistor pode variar algumas

dezenas de mega ohms de forma não linear.

8.5. SENSORES BASEADOS EM CIRCUITOS INTEGRADOS - SBCI

São sensores construídos usando da tecnologia de dopagem de semicondutores e

basicamente trabalham na faixa de temperatura entre -55ºC até + 150ºC. São sensores que oferecem

uma projeção mais amigável, podendo ser facilmente utilizados porém para aplicações críticas não

oferecem o mesmo grau de precisão em comparação a um Termopar, RTC ou Termistores. Existem

sensores que atuam na faixa de leitura em graus Celsius (ºC) e Fahrenheit (ºF). Geralmente

apresentam uma variação de tensão em seu terminal de saída de acordo com a variação da

temperatura do meio físico em que se encontram.

8.6. RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DOS SENSORES DETEMPERATURA ABORDADOS NESTE CAPÍTULO.

A tabela 3 ilustra um resumo das características dos sensores abordados neste capítulo

39

Tabela 3. Características dos Sensores de Temperaturas mais conhecidos:

Fonte: [Zanco, Wagner da Silva 2006]

8.7. SENSOR DE TEMPERATURA LM35

O sensor de temperatura adotado para a realização do projeto foi o LM35, fabricado pela

National Semiconductor. Este sensor apresenta um alto grau de confiabilidade e transfere ao

circuito uma boa precisão na leitura da temperatura. Este sensor foi adotado por apresentar uma

resposta linear (tipicamente 10mV/ºC) além de requerer o mínimo de circuitos externos para seu

funcionamento. Este integrado não requer nenhum tipo de calibração externa ou fatores de correção

com uso de trimers ou realimentadores externos.

Este sensor é oferecido em diversos encapsulamentos para uma melhor compatibilidade para

diversas aplicações. Dentre algumas características deste sensor, podemos citar:

• Calibrado diretamente na escala de graus Celsius (ºC);• Linearidade de saída: +10mV/ºC;• 0,5 ºC de precisão a 25ºC de temperatura;• Range de atuação -55 a + 150ºC;• Baixo custo;• Operação de 3 a 40 volts;• Corrente de dreno menor que 60 µA;• Baixa impedância de saída : 0,1Ω para 1mA de carga.

Termopar RTD Termistor SBCIFaixa de

Temperatura -270 a 1800 ºC -250 a 900 ºC -100 a 450ºC -55 a 150ºC

Sensibilidade Décimos deµV/ºC

0,00385Ω/ºC(platina) Vários ohms por ºC -2mV por ºC

Precisão ±0,5ºC ±0,01ºC ±0,1ºC ±1ºC

Linearidade Precisa deLinearidade

Precisa deLinearidade

Precisa deLinearidade

Não precisa deLinearidade

RobustezPouco afetadopor choque ou

vibração

Pode quebrarcom choque ou

vibração

Não é afetado porchoque ou vibração

Robusto comoqualquer CI

Excitação Não requerexcitação

Fonte deCorrente

Fonte de corrente outensão de referência

Tensão dealimentação

Formato de Saída Tensão Resistência Resistência Tensão, corrente oudigital

40

Para a realização deste trabalho o encapsulamento adotado foi o TO-92. A aplicação típica

deste sensor é a medição de temperatura entre +2ºC a +150 ºC. Ambas ilustrações são mostradas a

seguir na figura 15:

(a) (b)

Figura 15. LM35: (a) Encapsulamento TO-92; (b) Aplicação típica.Fonte: Adaptado de National Semiconductor (2000)

Ao se fornecer uma tensão de alimentação compreendida entre o range de funcionamento

deste sensor, uma tensão no terminal Vout será apresentada. Tendo como, por exemplo, uma

temperatura de 25ºC aplicada ao sensor, este apresentará uma tensão de saída da ordem de 250mV.

Caso submetido a uma temperatura de 80ºC, a mesma saída apresentará uma tensão se saída da

ordem de 800mV. Essa linearidade se mantém para toda a faixa de atuação o que facilita a projeção

de circuitos eletrônicos capazes de monitorar a temperatura do meio o qual estão inseridos.

9. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

Este capítulo traz uma abordagem sobre os amplificadores operacionais : sua definição e

modo de operação adotado para a realização do trabalho. Será apresentado o amplificador

operacional LM358 que foi utilizado para a realização deste trabalho.

41

9.1. DEFINIÇÃO

Conceitualmente, amplificadores são dispositivos capazes de processar sinais ampliando sua

potência, seja em relação à sua amplitude ou mesmo com relação à sua corrente. Amplificadores

estão classificados em diversas classes de operação (A, AB, D etc.) oferecendo um rendimento de

acordo com a sua classe de construção. Ao se amplificar um sinal deve-se tomar cuidado para não

modificar a informação contida no sinal e principalmente não introduzir nenhuma informação nova,

o que seria caracterizado como distorção. Um amplificador que preserva os detalhes da forma de

onda de um sinal é caracterizado pela seguinte equação linear:

Vo(t) = A x Vi(t)

Onde Vo e Vi representam o sinal de entrada e saída respectivamente e A está

relacionado com o ganho total do amplificador

Equação 6

Amplificadores geralmente são projetados fazendo-se do uso de transistores, válvulas e

circuitos integrados. A relação de potência, consumo e dissipação estão diretamente relacionados

com sua aplicação prática podendo oferecer uma infinidade de combinações.

9.2. SIMBOLOGIA

Amplificadores possuem uma simbologia para ser representado em circuitos. As

simbologias mais comuns utilizadas para esta representação são mostradas na figura 16 a seguir:

(a) (b)

Figura 16. Simbologia de Amp.Op.: (a) Sem referência ao GND; (b) Referenciado ao GND

42

Esta simbologia é amplamente utilizada para a representação em blocos circuitais.

9.3. DEFINIÇÃO DE AMPLIFICADORES OPERACIONAIS

Amplificadores operacionais são dispositivos eletrônicos que possuem as características de

amplificadores comuns, porém em formato de Circuitos Integrados, oferecendo uma alta

impedância de entrada (idealmente infinita) e uma baixa impedância de saída (idealmente nula). A

simbologia utilizada para a representação dos amplificadores operacionais é mostrada na figura 17 a

seguir:

Figura 17. Simbologia de um Amplificador OperacionalFonte: Adaptado de Silva, André Luis Faustino (2006)

A figura 18 ilustra a simbologia de um amplificador operacional com ênfase às

características básicas de sua arquitetura interna : Resistência de Entrada RIN, Resistência de saída

ROUT, Tensão nas entradas diferenciais VIN e tensão de saída Vo= Av x VIN

Figura 18. Simbologia de um Amplificador OperacionalFonte: Adaptado de Silva, André Luis Faustino (2006)

43

9.4. AMPLIFICADORES OPERACIONAIS NÃO INVERSORES

Amplificadores operacionais usados na configuração não inversora aplicam em sua saída o

mesmo sinal aplicado em sua entrada adicionando um ganho que pode ser calculado. Sua

configuração é descrita na figura 19 a seguir

Figura 19. Amplificador Operacional Não InversorFonte: Adaptado de Adaptado de Silva, André Luis Faustino (2006).

O uso do amplificador operacional nesta configuração apresenta um ganho que pode ser

facilmente calculado fazendo-se o uso da equação 7:

Equação 7

9.5. LM358

O amplificador operacional escolhido para o desenvolvimento deste trabalho é o LM358,

fabricado pela ST. É um circuito integrado de oito terminais e que possui dois amplificadores

operacionais distintos. Opera em uma ampla faixa de tensão e possui basicamente dois tipos de

encapsulamentos: 8-DIP e 8-SOP (para aplicações em circuitos SMD).

O mapeamento dos terminais bem como o diagrama em blocos do amplificador operacional é

mostrada a seguir na figura 20:

44

Figura 20. Diagrama em blocos do LM358Fonte: Adaptado de Fairchild Semiconductor International (2000)

Dentre as principais características deste amplificador operacional, podemos destacar:

• Freqüência compensada internamente para modo de ganho unitário;• Ampla faixa de ganho de tenção DC : 100 dB;• Ampla faixa de alimentação externa: desde +1,5 volts até +16 volts;• Entrada de rejeição de modo comum com ligação conjunta com o terra;• Drenagem de tensão pode ser mudada para uso com bateria externa.

10. GÁS GLP

Este capítulo faz a introdução sobre o Gás GLP, sua composição e principais características,

além de alguns cuidados que devem ser tomados durante o manuseio.

10.1. DEFINIÇÃO

G.L.P. é a abreviação de Gás Liqüefeito de Petróleo: uma substância inflamável tipicamente

conhecida como “Gás de Cozinha” por ser amplamente utilizado para cocção. É comercializado em

botijões com diversas capacidades de armazenamento sendo o recipiente P-13 o mais conhecido e

utilizado. É composto basicamente de butano e propano através do refino do petróleo tendo um

poder calorífico de cerca de 28000 kcal/m 3.

45

10.2. COMPOSIÇÃO

Na composição do GLP, a mistura ideal é de 50% de propano + 50% de butano, mas

ocorrem variações nesta composição. Se a proporção de propano for maior que a de butano teremos

um GLP mais rico com maior pressão e menor peso. Se ocorrer o inverso, teremos um GLP pobre

com maior peso e menor pressão. (Prevenção de Acidentes com GLP:

[http://www.dgst.cbmerj.rj.gov.br/modules.php?name=Content&file=print&pid=141– acesso em

25/08/08)].

10.3. CARACTERÍSTICAS

Os botijões de gás são comercializados de acordo com a sua aplicação e apresentando uma

variação de capacidade de acordo com a utilização específica. A tabela 4 mostra os tipos mais

comuns de recipientes e aborda suas principais características.

Tabela 4. Características dos Recipientes Transportáveis de GLP:

Código Volume Líquido Peso Líquido Uso mais comumP-2 4,8 litros 2 kg Fogareiros, lampiões e maçaricosP-5 12 litros 5 kg Uso doméstico para cocção e maçaricosP-13 31 litros 15 kg Uso doméstico para cocçãoP-20 48 litros 20 kg Exclusivo para empilhadeiras a GLPP-45 108 litros 45 kg Doméstico e IndustrialP-90 216 litros 90 kg Industrial (em desuso)

Fonte: Adaptado de Site How Stuff Works (2008)

10.4. POR DENTRO DO RECIPIENTE P-13

Quando envasado, o GLP encontra-se cerca de 85% em estado líquido e aproximadamente

15% no estado gasoso, em forma de vapor. A porção líquida encontra-se na parte inferior do

recipiente e a gasosa na parte superior. Isso representa uma condição de segurança já que dessa

forma não haverá pressão suficientemente elevada para danificar o recipiente. A ilustração desta

condição é mostrada na figura 21 a seguir :

46

Figura 21. Por dentro do recipiente P-13Fonte: Adaptado de Diretoria Geral de Serviços Técnicoshttp://www.dgst.cbmerj.rj.gov.br/modules.php?name=Content&file=print&pid=141 (2008)

Tanto o botijão quanto o GLP são produtos seguros, desde que corretamente estocados e

manuseados. No Brasil, sua distribuição em recipientes transportáveis, os denominados botijões de

gás, abrange 100% do território nacional e garante o abastecimento de 95% dos domicílios. Ou seja,

sua presença em nosso país é maior do que a da energia elétrica, da água encanada e da rede de

esgotos.

Quando cheio, um botijão de gás trabalha com a pressão de 5 a 7 kgf/cm3. Esta variação

deve-se ao fato da pressão estar relacionada com a densidade do GLP contido no recipiente. Mesmo

quando considerado vazio, o recipiente apresenta uma pressão da ordem de 1 kgf/cm3, provocado

pelo pequeno resíduo do GLP em estado de vapor.

O gás GLP é naturalmente inodoro. Por este motivo no momento em que recipiente é

preparado para a envasão, adiciona-se uma substância chamada Mercaptan. Caso exista um

vazamento, esta substância juntamente com o GLP entra em contato com o oxigênio reagindo

quimicamente produzindo o cheiro característico e muito conhecido, visando alertar aos presentes

no local do confinamento de que existe um vazamento de gás.

O GLP possui em média um poder calorífico de 28000 kcal/m3 (base unidade de volume) ou

11920 kcal/kg (base unidade de massa) [ Fonte : Minasgás – Perguntas Frequentes disponível em

www.minasgas.com.br/con_faq.asp].

47

Para utilização do recipiente P-13, alguns cuidados devem ser observados principalmente se

for constatada a necessidade do armazenamento de cinco ou mais recipientes. Dentre os cuidados

que devem ser tomados podemos citar:

• Ventilação do local a ser armazenado;• Os recipientes devem estar protegidos da chuva e do sol;• Devem estar afastados de fontes de calor e geradores de faíscas;• Devem permanecer afastados em pelo menos 1,5 metros de distância de ralos, caixas de

gordura, galerias subterrâneas e similares.

11. O DESENVOLVIMENTO DO MPGM

O MPGM – Medidor de Pressão de Gás Microcontrolado – detém como principal objetivo a

capacidade de medição da pressão de gases com foco na aplicação do gás GLP. Seu alvo principal é

a aplicação em uso doméstico realizando a verificação da quantidade de gás disponível em

recipientes transportáveis de 13 kg realizando a indicação gráfica por meio de um display de Cristal

Líquido. A figura 22 ilustra o propósito do trabalho:

Figura 22. Propósito do MPGM

A relação da leitura da pressão do gás com a quantidade disponível é por meio gráfico

utilizando-se um bargraph, como pode ser vista na figura 23:

49

Figura 23. Modo de apresentação dos resultados

Para realizar este trabalho foi observada a ordem de alguns acontecimentos. Inicialmente

houve a seleção do microcontrolador o que evidenciou a necessidade do uso de uma plataforma de

testes. Por esta razão foi adquirido o Kit de Desenvolvimento ACEPIC40 projetado para o uso com

o microcontrolador PIC16F877A. As funções específicas deste trabalho foram projetadas mediante

o estudo de viabilidade e seleção dos componentes e conseqüentes pesquisas em aplicações práticas.

Possuindo funções definidas e componentes selecionados, o próximo passo dado foi a

escolha da Linguagem de Programação C já que o projeto exigia o uso de equações matemáticas

que dificultariam sua implementação em Assembly. A Linguagem C voltada para o uso em

Microcontroladores difere um pouco do habitual por possuir certas limitações. Para mapear estas

diferenças e promover uma maior interação com esta linguagem algumas apostilas de treinamento

foram adquiridas.

50

Em paralelo a estes procedimentos foram feitos contatos com fornecedores e distribuidores

de gás GLP para conhecimento da composição e princípio de funcionamento dos recipientes

transportáveis P-13.

Para minimização dos custos, o sensor de pressão foi adquirido mediante o arremate de um

lote de componentes disponíveis em um leilão pela Internet em um fornecedor situado nos Estados

Unidos. O custo observado com a compra do lote de 10 unidades não atingiria o valor do custo de

uma unidade adquirida no Brasil.

De posse do Kit de Desenvolvimento e dos componentes, o próximo passo dado foi o da

realização do estudo dos componentes e testes gerais conforme são explicados a seguir :

11.1. PRIMEIRAS EXPERIÊNCIAS: CONVERSORES A/D

Inicialmente foi verificada a necessidade de realizar experiências com os conversores A/D

do kit ACEPIC40, uma vez que esta seria a base do desenvolvimento do projeto. Os sinais

provenientes dos sensores de pressão e de temperatura seriam amostrados e processados

posteriormente por estes conversores. Por este motivo seria de grande importância a interação com

as funções desses conversores e o controle via software para desempenho das atividades propostas.

A primeira experiência abordou o uso do port RA0/AN0. Um trimpot contido no kit faria a

variação da tensão desde 0 volts até Vcc fazendo assim a mudança na apresentação do resultado.

Como para o primeiro exemplo o conversor A/D fora setado para amostrar o resultado com a

precisão de 10 bits, teríamos que na condição de 0 volts o sinal apresentado no LCD seria 0, e na

condição da tensão de Vcc o sinal apresentado no LCD seria 1023.

Para realizar a experiência, foi desenvolvido um algoritmo usando a linguagem C. Este

código é descrito na figura 24:

51

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de aquisição de sinais do port RA0/AN0 //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <16F877A.h> // Declara biblioteca do MCU utilizado#device ADC=10 // Declara resolução do conversor A/D#fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP // Declara Fuses#use delay(clock=8000000) // Informa ao compilador a freqüência de clock

#include "LCD_8B.c" // Declara Bibliteca para uso do LCD

void main() // Início de programa long adc1; // Declara variável

Setup_adc_ports(AN0); // Declara modo de funcionamento dos AD´s setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Clock interno lcd_ini(); // Inicia o LCD printf(lcd_escreve,"\fRA0/AN0 (pino 2)"); // Escreve no LCD delay_ms(1000); // Espera 1 segundo para iniciar laço

while(TRUE) // Inicia laço infinito set_adc_channel(0); // Setup para RA0/AN0 delay_us(20); // Espera 20 us adc1 = read_adc(); // Faz leitura em AN0 e coloca resultado em adc1 lcd_pos_xy(1,1); // posição no display printf(lcd_escreve,"\nValor(AD1)= %4lu",adc1); // mostra valor de adc1 no LCD delay_ms(100); // aguarda 100ms

Figura 24. Primeiro algoritmo para teste do conversor A/D

A figura 25 mostra a gravação do algoritmo no microcontrolador utilizando o software

PICkit 2 Programmer desenvolvido pela Microchip®. Este software deve ser utilizado quando faz-

se necessário a gravação via port USB (Universal Serial BUS). As gravações deste projeto foram

feitas em sua totalidade pelo modo “In Circuit” com o uso da placa ACEUSB, uma placa que

converte os sinais do port USB para os pulsos necessários na gravação IN Circuit que foi adquirida

em conjunto ao ACEPIC40.

52

Figura 25. Gravação do Algoritmo no Microcontrolador

Após a gravação do algoritmo no microcontrolador o próximo passo dado foi a verificação

do funcionamento do mesmo, bem como as experiências necessárias para a assimilação do

funcionamento do conversor Analógico-Digital. O resultado pode ser verificado na figura 26 que é

mostrada a seguir :

53

Figura 26. Primeira experiência com o conversor A/D

Outras experiências com os demais conversores A/D foram realizadas. Estas experiências

eram derivações do primeiro algoritmo desenvolvido. Nas experiências com os conversores A/D

foram simuladas outras condições de funcionamento como resolução e referência em tensão, todos

com resultados satisfatórios.

11.2. ADEQUANDO O SENSOR DE TEMPERATURA LM35

A fim de se aplicar uma correção da leitura nas medidas de pressão em função da

temperatura foi implementado o uso do sensor LM35. Recorrendo-se ao datasheet pudemos

verificar qual seria a configuração mais adequada para uso no projeto. A configuração escolhida é

apresentada na figura 14b. Nesta configuração, a tensão de saída do componente é apresentada de

forma linear adotando-se a ordem de 10mV/ºC. A figura 27 ilustra uma medição prática com o uso

deste sensor, onde realizou-se a medição da temperatura ambiente.

54

Figura 27. Primeiras medições com o sensor de temperatura LM35

O kit ACEPIC 40 fornece a tensão de Vcc próximo a 5 volts, o suficiente para a excitação

do sensor. O terminal Vout (terminal do meio) forneceu para este exemplo a tensão de 261mV dc

em resultado da medição da temperatura ambiente para aquele momento, que era de 26,1ºC. Desta

forma, foi desenvolvido um algoritmo para a interpretação do kit a esta temperatura, mostrada na

figura 28:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de Leitura do Sensor de Temperatura LM35 //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////



void main() // Início de programa float Temperatura_LM35, Correcao, Vcc, Res_AD, Res, Res_final; // Declara variáveis

Setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN3_AN4); // Declara modo de funcionamento dos AD´s setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Clock interno lcd_ini(); // Inicia o LCD printf(lcd_escreve,"\fTeste do LM35"); // Escreve no LCD delay_ms(1000); // Espera 1 segundo para iniciar laço

while(TRUE) // Inicia laço infinito set_adc_channel(2); // Setup para RA2/AN2 delay_us(20); // Espera 20 us Temperatura_LM35 = read_adc(); // Faz leitura em AN0 e coloca resultado em adc1 Temperatura_LM35=Temperatura_LM35*0.0045703125; // Correção do valor em relação àresolução do AD (4.68/1024) Res=Temperatura_LM35*100; // Correção considera resolução do LM35 lcd_pos_xy(1,1); // posição no display

55

printf(lcd_escreve,"\nTemperatura=%f",Res);// mostra valor de temperatura_LM35 no LCD delay_ms(850); // aguarda 100ms

Figura 28. Primeiro algoritmo para leitura da temperatura usando o LM35

O resultado deste algoritmo alcançou o objetivo esperado. A diferença entra as medidas do

valor apresentado pelo Multímetro e os resultados do kit entram na faixa da diferença de precisão de

um equipamento para com outro. A figura 29 ilustra o resultado deste algoritmo:

Figura 29. Resultado do teste do primeiro algoritmo de temperatura.

Observando o range de atuação do LM35 podemos ter no máximo 1,5V de tensão aplicada

em seu terminal Vout a uma temperatura de 150ºC. Trata-se de uma tensão relativamente baixa o

que pode provocar uma maior instabilidade de leituras do conversor A/D. Tomando como base a

tensão de Vcc (aproximadamente 4,65volts) e a resolução do conversor podemos calcular o menor

passo de variação das amostragens usando-se da equação 8.

Resolução = 4,65 / 210 Equação 8

56

Resolução = 0,00454 (v) ou 4,54 mV

Com esta condição temos que a cada 4,54 mV adicionado na entrada do conversor teremos a

variação de um dígito no valor amostrado. Para introduzir um ganho ao sinal possibilitando uma

melhor estabilidade, foi utilizado um Amplificador Operacional LM358 na configuração não

inversora com realimentação negativa, como pode ser visto na figura 30.

Figura 30. Etapa de amplificação de sinal para o LM35

Podemos verificar a montagem deste circuito na figura 31 a seguir:

Figura 31. Montagem da amplificação do LM35 no Proto-Board

Para calcular o ganho total do circuito foi utilizado o cálculo mostrado na equação 9:

57

Equação 9

Com esse cálculo concluímos que o sinal aplicado na entrada do Amplificador Operacional

proveniente do terminal de saída do LM35 será amplificado cerca de 2,5 vezes. O código

experimental é mostrado a seguir na figura 32:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de Leitura do Sensor de Temperatura LM35 com o ganho do AMP OP //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////



void main() // Início de programa float Temperatura_LM35, Correcao, Vcc, Res_AD, Res, Res_final; // Declara variáveis

Setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN3_AN4); // Declara modo de funcionamento dos AD´s setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Clock interno lcd_ini(); // Inicia o LCD printf(lcd_escreve,"\fTeste do LM35"); // Escreve no LCD delay_ms(1000); // Espera 1 segundo para iniciar laço

while(TRUE) // Inicia laço infinito set_adc_channel(2); // Setup para RA2/AN2 delay_us(20); // Espera 20 us Temperatura_LM35 = read_adc(); // Faz leitura em AN2 e coloca resultadoem variável Temperatura_LM35=Temperatura_LM35*0.0045703125; // Correção do valor em relação àresolução do AD (4.68/1024) Res=(Temperatura_LM35*100)/2.5; // Considera resolução do LM35 e divide peloganho do AMP.Op (2.5 x) lcd_pos_xy(1,1); // posição no display printf(lcd_escreve,"\nTemperatura=%f",Res); // mostra valor de temperatura_LM35 noLCD delay_ms(10000); // aguarda 10s

Figura 32. Algoritmo de leitura da temperatura considerando o ganho do Amp.OP

11.3. ADEQUANDO O SENSOR DE PRESSÃO MPX201A

O próximo passo para o desenvolvimento do projeto seria a verificação do funcionamento

do sensor de pressão. Para tanto o levantamento da curva de resposta da tensão de saída dos

terminais em relação à pressão submetida ao sensor teria uma grande importância. Apesar de

58

parecer um tanto simples houve um problema quanto ao meio em que o sensor estaria inserido uma

vez que não foi possível localizar junto aos fornecedores o invólucro o qual o sensor faria parte e

estaria inserido (vide exemplo na figura 33).

Figura 33. Invólucro do sensor de pressão MPX201A

As peças encontradas foram localizadas em um fornecedor nos Estados Unidos, porém, sua

importação demandaria tempo e um custo elevado o que poderia colocar em risco o

desenvolvimento do trabalho.

Neste momento surgiu a idéia do uso de duas seringas comuns sendo uma para acomodação

do sensor e outra para a variação da pressão. Em uma seringa estaria adaptado o sensor sendo que a

outra seringa serviria como fonte de pressão para o sensor, desde que houvesse uma atuação no

êmbolo. Desta forma seria possível observar o comportamento do sensor e levantar os resultados

das pressões de acordo com as tensões apresentadas nos terminais de saída do sensor. Uma vez

esboçada a idéia, houve a adaptação dos sensores de acordo às seringas, conforme pode ser

visualizado na figuras 34 que é mostrada a seguir:

59

(a) (b)

(c) (d)

Figura 34. Adaptação: (a) Seringa; (b) Selamento; (c) Disposição ; (d) Simulação de Pressão

Realizado este procedimento o próximo passo foi a identificação dos terminais do sensor e o

estudo de suas características para implementação no projeto. O sensor MPX201A apresenta uma

diferença de potencial entre os terminais 2 e 4 de forma que a pressão é o resultado da diferença de

tensão entre eles. De acordo com esta característica, foi desenvolvido um algoritmo que pudesse

realizar a leitura das tensões entre estes dois terminais. Os conversores A/D selecionados para a

realização desta medição foram o RA2/AN2 e o RA3/AN3 os quais mediriam as tensões entre os

terminais 2 e 4 respectivamente.

No momento da experiência o valor medido para o Vcc era de +4,57 volts, o que implicou

no uso de um fator de correção de 0,0044770... volts.

60

A figura 35 mostra o algoritmo desenvolvido para a leitura dos conversores AN2 e AN3 os

quais realizavam a medição direta no sensor de pressão MPX201.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de Leitura do Sensor de Pressão MPX201A //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <16F877A.h> // Declara biblioteca do MCU utilizado#device ADC=10 // Declara resolução do conversor A/D#fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP // Declara Fuses#use delay(clock=8000000) // Informa ao compilador a freqüência declock


void main() // Início de programa float RA2, RA3; // Declara variáveis

Setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN3_AN4); // Declara modo defuncionamento dos AD´s setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Clock interno lcd_ini(); // Inicia o LCD printf(lcd_escreve,"\fTeste do MPX201A"); // Escreve no LCD delay_ms(1000); // Espera 1 segundo para iniciarlaço

while(TRUE) // Inicia laço infinito set_adc_channel(2); // Setup para RA2/AN2 delay_us(20); // Espera 20 us RA2 = read_adc(); // Faz leitura em AN2 e colocaresultado na variável RA2 RA2 = RA2*0.0044770283479960899315738025415445; // Converteresolução do AD para indicação em escala de tensão printf(lcd_escreve,"\f"); printf(lcd_escreve,"RA2 = %f",RA2); set_adc_channel(3); // Setup para RA3/AN3 delay_us(20); // Espera 20 us RA3 = read_adc(); // Faz leitura em AN3 e colocaresultado na variável RA3 RA3 = RA3*0.0044770283479960899315738025415445; // Converteresolução do AD para indicação em escala de tensão printf(lcd_escreve,"\nRA3 = %f",RA3); // mostra os valores deRA2 e RA3 delay_ms(1000); // aguarda 1s

Figura 35. Algoritmo de leitura do Sensor de Pressão

Este algoritmo foi testado com resultado satisfatório. A ilustração da figura 36 mostra o

resultado obtido:

61

Figura 36. Teste de medição do Sensor MPX201A

Com a medição direta entre os dois terminais visualizamos duas tensões distintas as quais

serão posteriormente subtraídas para correlação com a curva de resposta declarada pelo fabricante

para a obtenção das relações de pressão.

11.4. CORRELAÇÃO DAS MEDIDAS DE PRESSÃO DO SENSOR DEPRESSÃO MPX201A

Uma vez conhecidas as tensões presentes nos terminais de saída do sensor de pressão temos

condições de relacionar os valores em uma tabela presente no data sheet do fabricante, para assim

podemos estimar a pressão em que o sensor está sendo submetido. Este procedimento assume o erro

do sensor com relação a sua estabilidade e será utilizado para medições futuras.

A equação 10 descreve o modelo matemático utilizado para a obtenção da tensão de saída a

ser comparada com a tabela declarada pelo fabricante:

62

Vout = (+Output) – (- Output) Equação 10

Para a caracterização da diferença de tensão entre os terminais do sensor de pressão

MPX201A, foi desenvolvido o qual é mostrado na figura 37 a seguir:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de Leitura do Sensor de Pressão MPX201A Diferença entre tensões) //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////



void main() // Início de programa float RA2, RA3, DIFERENCA; // Declara variáveis

Setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN3_AN4); // Declara modo defuncionamento dos AD´s setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); // Clock interno lcd_ini(); // Inicia o LCD printf(lcd_escreve,"\fTeste do MPX201A"); // Escreve no LCD delay_ms(1000); // Espera 1 segundo para iniciarlaço

while(TRUE) // Inicia laço infinito set_adc_channel(2); // Setup para RA2/AN2 delay_us(20); // Espera 20 us RA2 = read_adc(); // Faz leitura em AN2 e colocaresultado na variável RA2 = +VOUT RA2 = RA2*0.00451171875; // Converte resolução do AD paraindicação em escala de tensão //printf(lcd_escreve,"\f"); //printf(lcd_escreve,"RA2 = %f",RA2); set_adc_channel(3); // Setup para RA3/AN3 delay_us(20); // Espera 20 us RA3 = read_adc(); // Faz leitura em AN3 e colocaresultado na variável RA3 = -VOUT RA3 = RA3*0.00451171875; // Converte resolução do ADpara indicação em escala de tensão DIFERENCA=RA2-RA3; // Aplica a fórmula paradiferenciação das tensões nos terminais printf(lcd_escreve,"\nTensao = %f",DIFERENCA); // mostra valorede diferença entre as tensões delay_ms(500); // aguarda 1s

Figura 37. Algoritmo de diferenciação de tensão entre os terminais do sensor.

A figura 38 mostra o resultado apresentado que foi considerado satisfatório uma vez que os

valores apresentaram valores muito próximos além de estarem dentro dos limites especificados pelo

fabricante.

63

Figura 38. Ajuste para medição do sensor de pressão (multímetro em escala de mV).

11.5. MEDIÇÕES DE PRESSÃO COM O SENSOR MPX201A

Após o desenvolvimento de algoritmos e verificação do funcionamento dos sensores,

partimos para o próximo step que seria o levantamento da curva de resposta do sensor ao longo da

faixa de atuação para que a relação tensão x pressão pudesse ser caracterizada.

Como fora anteriormente citado não foi possível a realização das medidas de pressão com o

invólucro fabricado pela Motorola de uso específico para este sensor. Sendo assim, o sensor fora

adaptado em uma seringa com capacidade de 10 ml de uso comum. Na outra extremidade, outra

seringa com capacidade de 60ml para simular a variação de pressão no meio em que o sensor fora

inserido. Na figura 39 é detalhado o modelo desse procedimento adotado como manobra à falta do

invólucro correto:

64

(a) (b)

Figura 39. Adaptações para sensor de pressão: (a) Seringas; (b) Detalhe seringa com sensor

Na figura 40 temos a disposição do kit e as seringas para simulação da pressão e os

componentes inseridos no proto board.

Figura 40. Técnica para a validação da medida de pressão

Ao analisar o datasheet verificamos a existência de algumas variáveis para o correto cálculo

da pressão. O primeiro passo seria calcular a variável VFSS que significa Tensão de Fundo de escala,

ou seja, a máxima tensão que seria obtida nos terminais de saída do sensor de pressão em função da

máxima capacidade de medição do sensor. O cálculo dessa variável depende bastante da tensão de

65

alimentação em que o sensor está inserido, que pode flutuar desde 3 volts até 6 volts. No momento

da medição, a tensão de alimentação do kit de Desenvolvimento foi de 4,64 volts.

Como a resposta do sensor é bem linear e tendo a informação de que para uma tensão Vs = 3

volts o VFSS = 60mV (típico) então não houve problemas em calcular o VFSS por meio de uma regra

de três mostrada através da equação 11 mostrada a seguir :

Equação

11

Conhecendo-se o VFSS é possível calcular a sensibilidade para este caso, conforme mostrado

na equação 12 que é mostrada a seguir:

onde POP = capacidade máxima do sensor

Equação

12

De posse dos valores destas variáveis podemos associar os a diferença de tensão obtida nos

terminais do sensor de pressão e a sensibilidade do mesmo resultando na medida da pressão

propriamente dita usando um algoritmo desenvolvido para esta atividade. A mostra da leitura é

mostrada na figura 41:

66

Figura 41. Medição de pressão

Tabela 5. Caracterização da medida de pressão:

Output (mV) Pressão (kPa) Pressão (PSI)31,6 68,35 9,9140,6 87,89 12,7449,7 107,42 15,5858,7 126,95 18,4167,8 146,48 21,2481,3 175,78 25,4990,4 195,31 28,32

Os resultados acima obtidos foram comparados com o comportamento esperado do sensor

de pressão que está declarado no datasheet do Fabricante. Os valores foram observados e

considerados condizentes. Na figura 42 podemos comparar os valores obtidos mediante simulação

com o valor esperado segundo publicado pelo fabricante.

67

(a) (b)

Figura 42. Tensão x Pressão: (a) Datasheet ; (b) Aproximado

Na figura 43 podemos observar o gráfico obtido mediante simulação real do circuito.

Podemos verificar a aproximação com os valores nominais declarados pelo fabricante.

Figura 43. Resultado obtido mediante simulação

11.6. CORREÇÃO DA PRESSÃO EM FUNÇÃO DA TEMPERATURA

A pressão é uma grandeza que apresenta variações de acordo com a temperatura em que o

sistema está inserido. Portanto este trabalho não se encontra imune a esta manifestação. O sensor de

pressão possui um comportamento conhecido a medida em que a temperatura sobre o qual está

inserido varia. A leitura realizada pelo sensor de pressão é corrigida utilizando-se o LM35. Este

interfere na leitura do sensor de pressão corrigindo os erros ocasionados por grandes flutuações de

tensão.

68

A equação de correção implementada via software é mostrada na equação 13 a seguir:

onde TCVFSS = Coeficiente de temperatura em toda a faixa

Equação

13

Esta equação é declarada pelo fabricante em seu data sheet. Aplicando este conceito da

correção da temperatura, devemos considerar novos valores de referência. Estes Valores são obtidos

tomando-se por base a variação em porcentagem com relação à temperatura que segundo o

fabricante tem o valor típico em –0,19%/°C. O primeiro ensaio das medidas de pressão foi realizado

a uma temperatura ambiente de 26.1°C. Para realizar nova experiência com a correção deste fator,

foi utilizado um secador de cabelos comum para a geração do calor em conjunto com um medidor

de Temperatura calibrado, gentilmente fornecido pela empresa Qualibrás Eletrônica. Com o novo

conjunto, obtivemos uma temperatura de 49.72°C. A figura 44 ilustra o procedimento adotado para

a simulação desta nova condição de funcionamento:

69

Figura 44. Medição da pressão com correção de temperatura

A equação 11 nos passou um valor de VFss relativo à temperatura ambiente, bem próxima

dos 25°C. Com a temperatura próxima aos 50°C, um novo cálculo de VFss deve ser feito só que

com a aplicação da equação 13. O resultado deste cálculo é mostrado na equação 14 a seguir :

Equação 14

Consequentemente obteremos uma nova sensibilidade, a qual apresentamos os cálculos na

equação 15 a seguir :

70

Equação 15

A tabela 6 demonstra os resultados que foram obtidos mediante a correção da temperatura

Tabela 6. Caracterização da medida de pressão com correção de temperatura:

Output (mV) Pressão (kPa) Pressão (PSI)27,12 58,59 8,4940,6 83,92 12,1653,4 109,12 15,8261,1 125,02 18,1269,8 142,14 20,6176,8 156,34 22,6688,0 180,55 26,17

Para uma melhor compreensão dos resultados obtidos devemos nos referenciar à figura 45:

Correção da Pressão em Função da Temperatura

0102030405060708090

100

58,59 83,92 109,12 125,02 142,14 156,34 180,55

Pressão (kPa)

Tens

ão (m

V)

Figura 45. Resultado obtido mediante simulação

A figura 46 apresenta os dados validados da calibração do Medidor de Temperatura

utilizado e gentilmente cedido pela Qualibrás Eletrônica para a realização do experimento :

71

Figura 46. Dados da Calibração do Medidor de Temperatura

11.7. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS – DISPLAY BARGRAPH

A apresentação de medições de qualquer natureza são muito mais facilmente interpretadas

se forem apresentadas no modo gráfico. O modo de apresentação escolhido – o bargraph – é uma

forma de apresentação gráfica que dispensa a associação a constantes ou variáveis possibilitando a

interpretação imediata.

A apresentação dos resultados do MPGM por meio da indicação gráfica via bargraph foi

desenvolvida mediante a consulta ao fórum do software Compilador, onde a biblioteca necessária

para a manipulação dos caracteres do display de LCD foi obtida. Com a biblioteca LCD_Bargraph.c

foi possível fazer simulações de aquisição de medida pelo conversor A/D com posterior

amostragem dos resultados. A figura 47 ilustra o código gerado para exemplo da aplicação:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste da função Bargraph para LCD 16x2 //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

72


#include <LCD_8B.c> // declara biblioteca#include <LCD_bargraph.c> // declara bibliotecalong valor;long A;void main()

setup_adc_ports(AN0_AN1_AN2_AN3_AN4);setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);lcd_ini();delay_ms(2000);init_user_chars(); // Carrega caracteresespeciais no LCD CGRAM para o bargraphset_adc_channel(0);delay_us(10);while(1)set_adc_channel(2); // Configura leitura viaRA2/AN2valor=read_adc(); // Faz leitura do ADCdelay_ms(20); // Espera 20ms para nãoprejudicar processamentoA=valor/34.13; // Calcula a maxima escala dobargraph (8 bits=256, 10 colunas=30 barras então 1024/30=~8.5printf(lcd_escreve,"\f "); // Limpa amostragem do LCDprintf(lcd_escreve, "Valor = %lu \n",valor); // Mostra o valor do ADC naprimeira linha do LCDbargraph(A); // Mostra bargraph na sgundalinha do LCD

Figura 47. Código para apresentação do Bargraph no display

Após a compilação deste código, podemos observar o perfeito funcionamento do programa

visualizando a figura 48 mostrada a seguir:

Figura 48. Teste da indicação bargraph (foto real tirada do ACEPIC40)

Este resultado é obtido em função do valor amostrado pelo conversor A/D (neste caso

configurado para 10 bits de resolução que podendo variar de 0 a 1023). O resultado “0” faz com que

73

o display não mostre o bargraph. Em contrapartida, o valor 1023 faz com que o display mostre

todas as barras do bargraph.

11.8. IMPLEMENTAÇÃO DO RTC – RELÓGIO DE TEMPO REAL

Na projeção do circuito, decidiu-se implementar o gerenciamento de data e hora. Para tanto

verificou-se a necessidade do uso de um componente que desenvolvesse tal função. Após algumas

pesquisas decidiu-se utilizar um Real Time Clock – (RTC: Relógio de Tempo Real) que em

conjunto com o microcontrolador pudesse desenvolver tal função. O RTC utilizado para a

implementação do controle de data e hora foi o DS1307 fabricado pela Maxim®. A base de clock

deste componente é um cristal de freqüência de 32.768 kHz. Esta freqüência é dividida

internamente por um divisor de mesma ordem resultando em uma atualização de um ciclo por

segundo (1 Hz). Desta forma este componente aloca em seus registradores internos dados como

data, hora, mês, ano e dia da semana. Para a aplicação do trabalho apenas os registradores de data e

hora foram utilizados. Este componente faz a comunicação com o microcontrolador via port I2C.

Para verificação do funcionamento e adequação do circuito foram feitos alguns testes e o algoritmo

desenvolvido para tal é demonstrado na figura 49:

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// TCC 2008 - MPGM //// Teste de controle de data e hora usando o RTC DS1307 (via I2C) //// Aluno : Leandro de Almeida - Orientador Prof. Antônio de Assis //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

#include <16F877A.h> // Declara tipo de MCU utilizado#fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP // Declara FUSES#use delay(clock=8000000) // Declara freqüência de clock#include <LCD_8B.C> // Declara a biblioteca do LCD#include <DS1307.C> // Declara a biblioteca do RTC

#use rs232(baud=9600, xmit = PIN_C6, rcv = PIN_C7) // Prepara Port I2C

void main() BYTE sec, min, hrs, day, month, yr, dow; // Declara variáveis ds1307_init(); // Inicia o RTC delay_us(100); // Espera 100us // Selecionando a data de exemplo -> 14 de Dezembro de 2008 // Selecioando a hora do exemplo -> 10:30:14 //ds1307_set_date_time(14,12,8,2,10,30,14); ds1307_set_date_time(14,12,8,2,10,30,14); // Seta data no RTC while(1) delay_ms(1000); // Espera 1 segundo ds1307_get_date(day,month,yr,dow); // Lê registradores do RTC (dia,mês,no,dia da semana) ds1307_get_time(hrs,min,sec); // Lê registradores do RTC (hora,minuto,segundo) printf(lcd_escreve,"\fData:%02d/\%02d/\%02d",day,month,yr); // Exibe informação no Display - 1ºlinha printf(lcd_escreve,"\nHora:%02d:\%02d:\%02d", hrs,min,sec); // Exibe informação no Display - 2ºlinha

Figura 49. Teste da indicação bargraph (Algoritmo desenvolvido)

74

Na figura 50 é mostrado o resultado da implementação do código desenvolvido e mostrado

na figura 49 :

(a) (b)

Figura 50. RTC em uso: (a) Montagem no proto board; (b) Resultado no display

Com o gerenciamento de data e hora foi possível adequar uma nova função ao trabalho : a

de controlar a data de vencimento da mangueira do botijão de gás. O usuário faz a introdução da

data de vencimento da mangueira e o circuito passa a fazer comparações entre a data atua e a data

de vencimento. Caso a data de vencimento seja ultrapassada, uma mensagem de alerta será exibida

no display assim como mostrada na figura 51:

(a) (b)

Figura 51. Função de Segurança: (a) Alerta de segurança 1; (b) Alerta de segurança 2

12. RESULTADOS

75

A aquisição de pressão foi realizada por intermédio de uma simulação fazendo-se do uso da

adaptação feita com o uso de duas seringas. A lógica do programa desenvolvido bem como o seu

fluxograma é apresentado no anexo deste trabalho. Os resultados obtidos foram considerados

satisfatórios uma vez que a curva de resposta do sensor foi levantada justificando o propósito deste

trabalho: medição de pressão com apresentação gráfica dos resultados.

Com adaptações futuras será possível a implementação deste trabalho para uso em

condições reais. O Hardware utilizado possibilita alterações que podem contribuir com a sociedade

como por exemplo fazendo uso de funções como o aumento do nível de segurança.A figura 51

ilustra o funcionamento do projeto:

Figura 52. Medição de Pressão

13. CONCLUSÃO

76

O desenvolvimento de um projeto eletrônico requer muita disciplina além de um prévio

conhecimento teórico. A engenharia deve colocar em prática o conhecimento em pró do

desenvolvimento da sociedade já que seu próprio conceito parte do princípio da criação.Com base

nesta filosofia, este trabalho buscou contribuir em um aspecto geral com a comodidade e segurança

da sociedade, procurando implementar um circuito capaz de interagir de forma direta com pessoas

que detém um contato direto com recipientes transportáveis de gás (botijão).

Com este trabalho, pude ter uma amostra não só da evolução da tecnologia mas

principalmente do desenvolvimento das ferramentas de apoio (software, hardware) que estão

disponíveis no mercado.

Os resultados obtidos são uma amostra da assimilação dos conceitos teóricos e práticos das

matérias abordadas ao longo do curso de Engenharia. Alguns inconvenientes com o sensor de

pressão como a falta da localização do invólucro em mercado nacional e a dificuldade de

importação de uma amostra e a impossibilidade da adaptação do sensor a um regulador de pressão

foram decisivos para a não-apresentação do produto final deste trabalho em sua aplicação prática.

A pré-apresentação na 1º mostra de TCC na Universidade São Francisco teve uma

importante contribuição com o trabalho, uma vez que a implementação do sistema de correção da

medida da pressão em função da temperatura foi desenvolvida após o comentário de um aluno de

Engenharia presente na platéia.

Destaco o caráter multidisciplinar do trabalho já que houve o envolvimento de áreas

integrantes do curso de Engenharia Elétrica como Eletrônica, Química e Ciência dos Materiais,

Física, Linguagem de Programação e Projeto de Telecomunicações fazendo-nos acreditar ter

chegado ao objetivo deste Trabalho de Conclusão de Curso.

14. CONSIDERAÇÕES FINAIS

77

Este trabalho pode sofrer melhorias futuras. Como sugestões posso citar alguns pontos :

• Implementação da detecção de vazamento de gás, quer seja entre o recipiente de gás e oqueimador ou pela simples detecção da falta de combustão em queimador;

• Implementação da função de controle de consumo;• Implementação de trava de segurança para crianças e idosos, mediante atuação em válvula

eletrônica;• Implementação de timer, com desligamento automático do gás mediante atuação em válvula

eletrônica;• Desenvolvimento de adaptadores e acessórios para utilização em uso real;

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] SOUZA, David Jose de.; LAVINIA, Nicolas César. Conectando o PIC16F877A; RecursosAvançados. 4. ed. São Paulo, Érica, 2007. 380p

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[4] CORTELETTI, Daniel; Introdução à programação de microcontroladores Microchip PIC, Senai.2006. 28p

[5] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. PIC 16F87XA. Data Sheet. Disponívelhttp://www.microchip.com Acesso em 16 ago. 2008.

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[8] MOTOROLA FREESCALE SEMICONDUCTOR INC. AN936 – MOUTING TECHNIQUES,LEAD FORMING AND TESTING OS MOTOROLA´S MPX SERIES PRESSURE SENSORS .Data Sheet. Disponível em http://www.motorola.com/sps

[9] CUSTOM COMPUTER SERVICES INCORPORATED. C COMPILER REFERENCEMANUAL – JULY 2003

[10] DÚVIDAS FREQUENTES : PREVENÇÃO DE ACIDENTES COM GLP. Diretoria Geral deServiços Técnicos, Rio de Janeiro, disponível em :http://www.dgst.cbmerj.rj.gov.br/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=141 Acessoem 25/08/2008

[11] FREESCALE SEMICONDUCTOR. AN1573 – Understanting Pressure and PressureMeasurement. Data Sheet. Disponível emwww.freescale.com/files/sensors/doc/app_note/AN1573.pdf Acesso em 26/08/2008

79

[12] DALLAS SEMICONDUCTOR. DS1307 – 64X8 Serial Real Time Clock. Data Sheet.Disponível em http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS1307.pdf Acesso em 26/08/2008

GLOSSÁRIO

Arquitetura Harvard Arquitetura baseada na utilização de duas memórias separadas sendo umapara a memória de dados e outra para a memória dos programas, resultandoem maior velocidade de processamento.

Data Sheet Documentação técnica geralmente disponibilizada pelo fabricante para aapresentação de seu produto considerando as características principais

Algoritmo Seqüência de instruções finitas desenvolvidas em linguagem deprogramação para o desenvolvimento de software.

Proto Board Matriz de contatos elétricos para o desenvolvimento de circuitosexperimentais.

Invólucro Material cuja finalidade é envolver fisicamente um outro material, para finsde proteção ou acondicionamento

Cocção Técnica adotada para a preparação de alimentos sob a ação do calor

APÊNDICE A – FLUXOGRAMA

Para interpretação dos resultados é apresentado o fluxograma do projeto na figura 53:

Figura 53. Fluxograma

82

APÊNDICE B – ESQUEMA ELÉTRICO DO TRABALHO

Figura 54. Esquema elétrico do trabalho desenvolvido

ANEXO I – ESQUEMA ELÉTRICO DO KIT ACEPIC40

84

ANEXO II – DATA SHEET DO SENSOR MPX201A

85

ANEXO III – AN1573 – UNDERSTANDING PRESSURE AND

PRESSURE MEASUREMENT

AN1573Rev 1, 05/2005

Freescale SemiconductorApplication Note

Understanding Pressure and Pressure Measurementby: David Heeley

Sensor Products Division, Phoenix, Arizona

INTRODUCTIONFluid systems, pressure and pressure measurements are

extremely complex. The typical college curriculum for Mechanical Engineers includes at least two semesters in fluid mechanics. This paper will define and explain the basic concepts of fluid mechanics in terms that are easily understood while maintaining the necessary technical accuracy and level of detail.

PRESSURE AND PRESSURE MEASUREMENTWhat is fluid pressure? Fluid pressure can be defined as

the measure of force per-unit-area exerted by a fluid, acting perpendicularly to any surface it contacts (a fluid can be either a gas or a liquid, fluid and liquid are not synonymous). The standard SI unit for pressure measurement is the Pascal (Pa) which is equivalent to one Newton per square meter (N/m2) or the KiloPascal (kPa) where 1 kPa = 1000 Pa. In the English system, pressure is usually expressed in pounds per square inch (psi). Pressure can be expressed in many different units including in terms of a height of a column of liquid. Table 1 lists commonly used units of pressure measurement and the conversion between the units.

Pressure measurements can be divided into three different categories: absolute pressure, gage pressure and differential pressure. Absolute pressure refers to the absolute value of the force per-unit-area exerted on a surface by a fluid. Therefore the absolute pressure is the difference between the pressure at a given point in a fluid and the absolute zero of pressure or a perfect vacuum. Gage pressure is the measurement of the difference between the absolute pressure and the local atmospheric pressure. Local atmospheric pressure can vary depending on ambient temperature, altitude and local weather

conditions. The U.S. standard atmospheric pressure at sea level and 59°F (20°C) is 14.696 pounds per square inch absolute (psia) or 101.325 kPa absolute (abs). When referring to pressure measurement, it is critical to specify what reference the pressure is related to. In the English system of units, measurement relating the pressure to a reference is accomplished by specifying pressure in terms of pounds per square inch absolute (psia) or pounds per square inch gage (psig). For other units of measure it is important to specify gage or absolute. The abbreviation abs' refers to an absolute measurement. A gage pressure by convention is always positive. A negative' gage pressure is defined as vacuum. Vacuum is the measurement of the amount by which the local atmospheric pressure exceeds the absolute pressure. A perfect vacuum is zero absolute pressure. Figure 1 shows the relationship between absolute, gage pressure and vacuum. Differential pressure is simply the measurement of one unknown pressure with reference to another unknown pressure. The pressure measured is the difference between the two unknown pressures. This type of pressure measurement is commonly used to measure the pressure drop in a fluid system. Since a differential pressure is a measure of one pressure referenced to another, it is not necessary to specify a pressure reference. For the English system of units this could simply be psi and for the SI system it could be kPa.

In addition to the three types of pressure measurement, there are different types of fluid systems and fluid pressures. There are two types of fluid systems; static systems and dynamic systems. As the names imply, a static system is one in which the fluid is at rest and a dynamic system is on in which the fluid is moving.

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Figure 1. Pressure Term Relationships

STATIC PRESSURE SYSTEMSThe pressure measured in a static system is static

pressure. In the pressure system shown in Figure 2 a uniform static fluid is continuously distributed with the pressure varying only with vertical distance. The pressure is the same at all points along the same horizontal plane in the fluid and is independent of the shape of the container. The pressure increases with depth in the fluid and acts equally in all directions. The increase in pressure at a deeper depth is essentially the effect of the weight of the fluid above that depth. Figure 3 shows two containers with the same fluid exposed to the same external pressure - P. At any equal depth within either tank the pressure will be the same. Note that the sides of the large tank are not vertical. The pressure is dependent only on depth and has nothing to do with the shape of the container. If the working fluid is a gas, the pressure increase in the fluid due to the height of the fluid is in most cases negligible since the density and therefore the weight of the fluid is much smaller than the pressure being applied to the system. However, this may not remain true if the system is large enough or the pressures low enough. One example

considers how atmospheric pressure changes with altitude. At sea level the standard U.S. atmospheric pressure is 14.696 psia (101.325 kPa). At an altitude of 10,000 ft (3048 m) above sea level the standard U.S. atmospheric pressure is 10.106 psia (69.698 kPa) and at 30,000 ft (9144 m), the standard U.S. atmospheric pressure is 4.365 psia (30.101 kPa).

The pressure in a static liquid can be easily calculated if the density of the liquid is known. The absolute pressure at a depth H in a liquid is defined as:

Pabs = P + (ρ x g x H)

Where:Pabs is the absolute pressure at depth H.P is the external pressure at the top of the liquid. For most open systems this will be atmospheric pressure.ρ is the density of the fluid.g is the acceleration due to gravity (g = 32.174 ft/sec2 (9.81 m/sec2)).H is the depth at which the pressure is desired.

Table 1. Conversion Table for Common Units of Pressure

kPa mm Hg millibar in H2O PSI

1 atm 101.325 760.000 1013.25 406.795 14.6960

1 kPa 1.000 7.50062 10.000 4.01475 0.145038

1 mm Hg 0.133322 1.000 1.33322 0.535257 0.0193368

1 millibar 0.1000 0.750062 1.000 0.401475 0.0145038

1 in H2O 0.249081 1.86826 2.49081 1.000 0.0361

1 PSI 6.89473 51.7148 68.9473 27.6807 1.000

1 mm H2O 0.009806 0.07355 9.8 x 10-8 0.03937 0.0014223

Pressure

Local Atmospheric Pressure

Vacuum (Negative Gage)Absolute

Atmospheric

Gage

Absolute

AN1573

Sensors2 Freescale Semiconductor

Figure 2. Continuous Fluid System

Figure 3. Pressure Measurement at a Depth in a Liquid

DYNAMIC PRESSURE SYSTEMS Dynamic pressure systems are more complex than static

systems and can be more difficult to measure. In a dynamic system, pressure typically is defined using three different terms. The first pressure we can measure is static pressure. This pressure is the same as the static pressure that is measured in a static system. Static pressure is independent of the fluid movement or flow. As with a static system the static pressure acts equally in all directions. The second type of pressure is what is referred to as the dynamic pressure. This pressure term is associated with the velocity or the flow of the fluid. The third pressure is total pressure and is simply the static pressure plus the dynamic pressure.

STEADY-STATE DYNAMIC SYSTEMSCare must be taken when measuring dynamic system

pressures. For a dynamic system, under steady-state conditions, accurate static pressures may be measured by tapping into the fluid stream perpendicular to the fluid flow. For

a dynamic system, steady-state conditions are defined as no change in the system flow conditions: pressure, flow rate, etc. Figure 4 illustrates a dynamic system with a fluid flowing through a pipe or duct. In this example a static pressure tap is located in the duct wall at point A. The tube inserted into the flow is called a Pitot tube. The Pitot tube measures the total pressure at point B in the system. The total pressure measured at this point is referred to as the stagnation pressure. The stagnation pressure is the value obtained when a flowing fluid is decelerated to zero velocity in an isentropic (frictionless) process. This process converts all of the energy from the flowing fluid into a pressure that can be measured. The stagnation or total pressure is the static pressure plus the dynamic pressure. It is very difficult to accurately measure dynamic pressures. When dynamic pressure measurement is desired, the total and static pressures are measured and then subtracted to obtain the dynamic pressure. Dynamic pressures can be used to determine the fluid velocities and flow rates in dynamic systems.

H

H

P P

AN1573

SensorsFreescale Semiconductor 3

Figure 4. Static and Total Pressure Measurements Within a Dynamic Fluid System

Figure 5. Types of Pressure Probes

When measuring dynamic system pressures, care must be taken to ensure accuracy. For static pressure measurements, the pressure tap location should be chosen so that the measurement is not influenced by the fluid flow. Typically, taps are located perpendicular to the flow field. In Figure 4, the static pressure tap at point A is in the wall of the duct and perpendicular to the flow field. In Figure 5 a and c the static taps (point A) in the pressure probes are also perpendicular to the flow field. These examples show the most common type of static pressure taps, however there are many different static pressure tap options. For total or stagnation pressure measurements, it is important that the Pitot or impact tube be aligned parallel to the flow field with the tip of the tube pointing directly into the flow. In Figure 5 b and c, the Pitot tube is aligned parallel with the flow, with the tube opening pointing directly into the flow. Although the static pressure is independent of direction, the dynamic pressure is a vector quantity which depends on both magnitude and direction for the total measured value. If the Pitot tube is misaligned with the flow, accuracy of the total pressure measurement may

suffer. In addition, for accurate pressure measurements the pressure tap holes and probes must be smooth and free from any burrs or obstructions that could cause disturbances in the flow. The location of the pressure taps and probes, static and total, must also be selected carefully. Any location in the system where the flow field may be disturbed should be avoided, both upstream and downstream. These locations include any obstruction or change such as valves, elbows, flow splits, pumps, fans, etc. To increase the accuracy of pressure measurement in a dynamic system, allow at least 10 pipe / duct diameters downstream of any change or obstruction and at least two pipe / duct diameters upstream. In addition the pipe / duct diameter should be much larger than the diameter of the Pitot tube. The pipe / duct diameter should be at least 30 times the Pitot tube diameter. Flow straighteners can also be used to minimize any variations in the direction of the flow. Also, when using a Pitot tube, it is recommended that the static pressure tap be aligned in the same plane as the total pressure tap. On the Pitot-static tube, the difference in location is assumed to be negligible.

VelocityDistribution

Pitot Tube

B

A

Static Pressure Tap

(a) Static Pressure Probe (b) Total Pressure Pitot Tube (c) Combination Static Pressure and Total Pressure Pitot Tube (Pitot-Static Tube)

Flow Flow Flow

B B

AA

PS

PS

POPO

AN1573

Sensors4 Freescale Semiconductor

Flow-through pipes and ducts will result in a velocity field and dynamic pressure field that are non-uniform. At the wall of any duct or pipe there exists a no-slip boundary due to friction. This means that at the wall itself the velocity of the fluid is zero. Figure 4 shows an imaginary velocity distribution in a duct. The shape of the distribution will depend on the fluid conditions, system flow and pressure. In order to accurately determine the average dynamic pressure across a duct section, a series of total pressure readings must be taken across the duct. These pressure measurements should be taken at different radii and clock positions across the cross section of a round duct or at various width and height locations for a rectangular duct. Once this characterization has been performed for the duct, a correlation can be easily made between the total pressure measurement at the center of the duct relative to the average duct total pressure. This technique is also used to determine the velocity profile within the duct.

TRANSIENT SYSTEMSTransient systems are systems with changing conditions

such as pressures, flow rates, etc. Measurements in transient systems are the most difficult to accurately obtain. If the measurement system being used to measure the pressure has a faster response time than the rate of change in the system, then the system can be treated as quasi-steady-state. That is, the measurements will be about as accurate as those taken in the steady-state system. If the measurement of the system is assumed to be a snap shot of what is happening in the system, then you want to be able to take the picture faster than the rate of change in the system or the picture will be blurred. In other words, the measurement results will not be accurate. In a pressure measurement system, there are two factors that determine the overall measurement response: (1) the response of the transducer element that senses the pressure, and (2) the response of the interface between the transducer and the pressure system such as the pressure transmitting fluid and the connecting tube, etc. For Freescale Semiconductor, Inc. pressure sensors, the second factor usually determines the overall frequency response of the pressure measurement system. The vast majority of pressure systems that require measurements today are quasi-steady-state systems where system conditions are changing relatively slowly compared to the response rate of the measurement system or the change happens instantaneously and then stabilizes.

Two transient system examples include washing machines and ventilation ducts in buildings. In a washing machine, the height of the water in the tub is measured indirectly by

measuring the pressure at the bottom of the tub. As the tub fills the pressure changes. The rate at which the tub fills and the pressure changes is much slower than the response rate of the measurement system. In a ventilation duct, the pressure changes as the duct registers are opened and closed, adjusting the air movement within the building. As more registers are opened and closed, the system pressure changes. The pressure changes are virtually instantaneous. In this case, pressure changes are essentially incremental and therefore easy to measure accurately except at the instant of the change. For most industrial and building control applications, the lag in the pressure measurement system is negligible. As the control or measurement system becomes more precise, the frequency response of the measurement system must be considered.

FREESCALE PRESSURE SENSORSThis application note has covered various types of

pressures that are measured and how to tap into a system to measure the desired pressures. How are the actual pressure measurements made? There are many types of pressure measurement systems ranging from simple liquid tube manometers to bourdon-tube type gages to piezo-electric silicon based transducers. Today, as electronic control and measurement systems are replacing mechanical systems, silicon-based pressure transducers and sensors are becoming the sensors of choice. Silicon micromachined sensors offer very high accuracies at very low cost and provide an interface between the mechanical world and the electrical system. Freescale carries a complete line of silicon based pressure sensors which feature a wide range of pressures with various levels of integration on a single chip. These levels of integration start with the basic uncompensated, uncalibrated pressure sensor all the way to the fully integrated, temperature compensated, calibrated and signal conditioned pressure sensors. The response time of Freescale's MPX series silicon pressure sensors is typically 1 millisecond or less. For static or dynamic systems, Freescale's pressure sensors are an excellent solution for pressure measurement systems.

CONCLUSIONPressures and pressure measurements can be extremely

complex and complicated. However, for most systems it is relatively easy to obtain accurate pressure measurements if the proper techniques are used.

AN1573

SensorsFreescale Semiconductor 5

AN1573Rev. 105/2005

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