UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
UFOP
ESCOLA DE MINAS – EM
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO E TÉCNICAS FUNDAMENTAIS – DECAT
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA E
UMIDADE, E PROPOSTA DE CONTROLE POR
CONDICIONAMENTO DO AR EM MUSEUS
MONOGRAFIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO
JOSÉ ALBERTO NAVES COCOTA JÚNIOR
Ouro Preto, 2005
JOSÉ ALBERTO NAVES COCOTA JÚNIOR
SISTEMA DE MONITORAMENTO DE TEMPERATURA E
UMIDADE, E PROPOSTA DE CONTROLE POR
CONDICIONAMENTO DO AR EM MUSEUS
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle
e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como
parte dos requisitos para a obtenção de Grau em Engenheiro
de Controle e Automação.
Orientador: Prof. D.S. Paulo Marcos de Barros Monteiro
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Julho / 2005
AGRADECIMENTOS
Agradeço o departamento do curso de Informática Industrial do CEFET –
Ouro Preto. Em especial aos professores Ronaldo S. Trindade e José Eduardo Carvalho
Monte, que expuseram suas críticas e sugestões, que foram fundamentais na elaboração e
execução deste projeto. Aos professores Paulo Marcos de Barros Monteiro e Sávio Augusto
Lopes da Silva, que acompanharam este trabalho desde a sua concepção. Aos meus pais, e
ao professor Luiz Fernando Rispoli Alves, que acreditaram neste projeto e se dispuseram a
apoiá-lo.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS.........................................................................................................VII
LISTA DE TABELAS...........................................................................................................X
LISTA DE GRÁFICOS........................................................................................................XI
RESUMO.............................................................................................................................XII
ABSTRACT.......................................................................................................................XIII
I. INTRODUÇÃO...................................................................................................................1
1.1 Objetivos........................................................................................................................3
1.2 Justificativas...................................................................................................................3
1.3 Limitações e Problemas Enfrentados.............................................................................4
II. SENSORES DE TEMPERATURA E UMIDADE............................................................5
2.1 Sensores de Temperatura...............................................................................................6
2.1.1 Resistências Metálicas (RTD)..................................................................................7
2.1.2 Termopares.............................................................................................................10
2.1.3 Termistores.............................................................................................................14
2.1.3.1 Termistores: NTCs...........................................................................................15
2.1.3.2 Termistores: PTCs...........................................................................................16
2.1.4 Sensores de Silício.................................................................................................17
2.1.5 RTD x Termopar....................................................................................................19
2.1.6 NTC x Sensores de Silício.....................................................................................20
2.1.7 Comparação Entre Diferentes Sensores de Temperatura.......................................20
2.2 Sensores de Umidade...................................................................................................21
2.2.1 Sensores Resistivos................................................................................................22
2.2.2 Sensores Capacitivos..............................................................................................25
2.2.2.1 Sensor HIH-3610.............................................................................................26
2.2.2.2 Sensor HS 1101................................................................................................28
III. REDES DE CAMPO.......................................................................................................29
3.1 RS-232-C......................................................................................................................31
3.2 RS-422..........................................................................................................................34
3.3 RS-485..........................................................................................................................35
3.4 Características das Redes mais Utilizadas...................................................................36
IV. CONCEPÇÃO DO PROJETO.......................................................................................37
V. REDE DE COMUNICAÇÃO..........................................................................................39
5.1 Transceptor Diferencial de Rede..................................................................................40
5.2 Testes Realizados.........................................................................................................41
VI. CONVERSOR RS232/RS485........................................................................................43
6.1 O Conversor.................................................................................................................43
6.2 O Circuito.....................................................................................................................44
VII. TERMINAL MICROCONTROLADO.........................................................................46
7.1 O Terminal...................................................................................................................46
7.2 O Circuito.....................................................................................................................47
7.3 O Primeiro Teste..........................................................................................................49
VIII. O SOFTWARE............................................................................................................50
8.1 Interface com o Usuário...............................................................................................50
8.2 Configurando o Sistema...............................................................................................52
8.3 Cadastrando Terminais.................................................................................................54
8.4 Relatórios.....................................................................................................................56
IX. PROPOSTA PARA CONTROLE..................................................................................58
X. RESULTADOS................................................................................................................61
10.1 Residência..................................................................................................................61
10.2 Biblioteca de Obras Raras da Escola de Minas..........................................................63
XI. CONCLUSÃO................................................................................................................68
XII. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................69
ANEXOS...............................................................................................................................70
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 2.1 – Símbolos e aspectos de sensores RTDs comerciais.......................................7
FIGURA 2.2 – Curva de calibração de um Pt100 para -200 a +300ºC...................................9
FIGURA 2.3 – Curvas de calibração normalizadas de três RTDs..........................................9
FIGURA 2.4 – Efeito Seebeck..............................................................................................10
FIGURA 2.5 – Tipos de união..............................................................................................13
FIGURA 2.6 – Tensão termoelétrica dos diferentes termopares..........................................14
FIGURA 2.7 – Símbolo elétrico de um NTC, e um PTC.....................................................15
FIGURA 2.8 – Relação entre resistência e temperatura de um NTC...................................16
FIGURA 2.9 – Curva da resistência de um PTC em relação a temperatura.........................17
FIGURA 2.10 – LM35..........................................................................................................18
FIGURA 2.11 – Representação da tensão de saída do sensor..............................................18
FIGURA 2.12 – Exemplos de sensores resistivos encontrados no mercado........................22
FIGURA 2.13 – Curva da resistência x umidade relativa do sensor PCRC-55....................23
FIGURA 2.14 – Circuito sugerido pelo fabricante do sensor PCRC-55..............................24
FIGURA 2.15 – Saída de tensão x umidade relativa............................................................24
FIGURA 2.16 – Exemplos de sensores capacitivos encontrados no mercado.....................25
FIGURA 2.17 – Construção de um sensor de umidade capacitivo.......................................26
FIGURA 2.18 – Tensão de saída x umidade relativa, a 0, 25 e 85ºC...................................27
FIGURA 2.19 – Capacitância x umidade relativa................................................................28
FIGURA 3.1 – Elementos de uma de comunicação.............................................................29
FIGURA 3.2 – Transmissão de sinal: (a) serie e (b) paralelo...............................................29
FIGURA 3.3 – Tipos de conexão..........................................................................................30
FIGURA 3.4 – Tipos de fluxo de dados...............................................................................30
FIGURA 3.5 – Topologias de redes......................................................................................31
FIGURA 3.6 – (a) Conector DB25, (b) conector DB9.........................................................32
FIGURA 3.7 – Níveis de tensão RS-232-C..........................................................................32
FIGURA 3.8 – Transmissão assíncrona de um byte em serie...............................................33
FIGURA 3.9 – Conexão RS-422..........................................................................................34
FIGURA 3.10 – Níveis de tensão das interfaces RS-422 e RS-485.....................................35
FIGURA 3.11 – Conexão RS-485........................................................................................36
FIGURA 4.1 – Arquitetura distribuída.................................................................................37
FIGURA 5.1 – Diagrama da rede.........................................................................................39
FIGURA 5.2 – Descrição dos pinos do CI SN75LBC176....................................................41
FIGURA 5.3 – Tensão presente no terminal “R”, quando aplicado +12V em TxD.............42
FIGURA 5.4 – Tensão presente no terminal “R”, quando aplicado -12V em TxD..............42
FIGURA 5.5 – Tensão presente no terminal RxD quando aplicado 5V em “D”..................42
FIGURA 5.6 – Tensão presente no terminal RxD quando aplicado 0V em “D”..................42
FIGURA 6.1 – Vista externa do conversor RS232/RS485...................................................43
FIGURA 6.2 - Vista interna do conversor RS232/RS485....................................................44
FIGURA 6.3 – Diagrama do circuito do conversor RS232/RS485......................................45
FIGURA 7.1 – Vista externa do terminal microcontrolado..................................................46
FIGURA 7.2 - Diagrama do circuito do terminal microcontrolado......................................48
FIGURA 7.3 – Foto do circuito do terminal microcontrolado..............................................49
FIGURA 7.4 – Tela do Siow.................................................................................................49
FIGURA 8.1 – Tela principal do software............................................................................51
FIGURA 8.2 – Gráfico de exibição das últimas temperaturas amostradas...........................51
FIGURA 8.3 – Gráfico de exibição das últimas umidades amostradas................................52
FIGURA 8.4 – Tela de configuração da porta de comunicação serial..................................53
FIGURA 8.5 – Tela de configuração do intervalo de amostragem.......................................53
FIGURA 8.6 – Tela de cadastro de terminais.......................................................................54
FIGURA 8.7 – Parte inferior do terminal microcontrolado..................................................55
FIGURA 8.8 – Tela de mudança de status dos terminais.....................................................55
FIGURA 8.9 – Exportação de dados.....................................................................................56
FIGURA 8.10 – Salvando o arquivo.....................................................................................56
FIGURA 8.11 – Dados exportados para o Excel..................................................................57
FIGURA 9.1 – Resfriamento e desumidificação com reaquecimento..................................58
FIGURA 10.1 – Instalação na parte externa da residência...................................................62
FIGURA 10.2 – Foto do painel do controlador de temperatura...........................................64
FIGURA 10.3 – Terminal instalado no setor de obras pré-1900..........................................65
FIGURA 10.4 – Terminal instalado no setor de obras pós-1900..........................................65
FIGURA 10.5 – SMTU em execução na biblioteca.............................................................66
LISTA DE TABELAS
TABELA 2.1 – Resistividade e coeficiente térmico de metais usados em RTDs..................8
TABELA 2.2 – Tipos de termopares e características fundamentais...................................12
TABELA 2.3 – Comparação entre diferentes sensores de temperatura................................21
TABELA 2.4 – Características do sensor HIH-3610 da Honeywell....................................27
TABELA 2.5 – Características do sensor HS 1101 da Humirel...........................................28
TABELA 3.1 – Descrição dos principais sinais de uma interface RS-232...........................33
TABELA 3.2 – Comparação entre as redes RS-232, RS-422 e RS485................................36
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 10.1 – Dados amostrados entre os dias 7 e 8 de Julho de 2005..........................62
GRÁFICO 10.2 - Dados amostrados entre os dias 9 e 10 de Julho de 2005........................63
GRÁFICO 10.3 - Dados amostrados no setor de obras pré-1900.........................................67
GRÁFICO 10.4 - Dados amostrados no setor de obras pós-1900........................................67
RESUMO
Este presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema de
monitoramento de temperatura de bulbo seco e umidade relativa que opere em uma rede
com arquitetura distribuída, possibilitando no futuro a implementação de atuadores para o
controle destas variáveis. Fez-se um estudo dos sensores de temperatura e umidade
disponíveis no mercado, e optou-se por sensores que apresentassem facilidade no
desenvolvimento do sistema de amostragem. Sendo de interesse que o sistema apresentasse
bom desempenho, larga faixa de aplicação, facilidade de comunicação com outros sistemas,
aquisição de dados por microcomputador, amigável interface com o usuário, e que
dispensasse calibração dos sensores. Com os resultados alcançados, e validados através das
amostras realizadas em três distintos ambientes, elaborou-se propostas de controle de
temperatura e umidade por condicionamento do ar em museus através do sistema
desenvolvido, necessitando-se apenas de pequenas modificações.
Palavras-chave: instrumentação, redes, sistemas embutidos, programação, controle.
ABSTRACT
This present work presents the development of a data acquisition system
temperature of a dry bulb and relative humidity that operates in a net with distributed
architecture, making possible in the future the implementation of actuators for the control
of these variables. A study of the temperature and humidity sensors available in the market
became, and was opted to sensors that presented easiness in the development of the
sampling system. Being of interest that the system presented good performance, wide
application band, easiness of communication with other systems, acquisition of data for
microcomputer, friendly user interface, and that it excused sensors calibration. With the
results reached, and validated through the samples carried through in three distinct
environments, was elaborated proposals of temperature and humidity controls for air
conditioning in museums through the developed system, needing itself only small
modifications.
Key words: instrumentation, nets, embedded systems, programming, control.
I. INTRODUÇÃO
A maioria dos museus no Brasil não apresenta um controle
eficiente da umidade relativa do ar e da temperatura. As degradações
ambientais constituem uma preocupação maior de todo museu. Umidade
relativa do ar, temperatura, poluição (sujeira, poeira e terra) e mofo são
alguns dos exemplos de fontes de depredações ambientais que podem ser
evitadas ou reduzidas através de um adequado condicionamento de ar, para
uma melhor conservação do acervo nos museus.
Quanto mais elevada a temperatura, mais umidade a atmosfera
poderá reter. Os objetos compostos de dois ou mais tipos diferentes de
material (mistos) são os mais sensíveis às variações de umidade e precisam
portanto de cuidado especial. A taxa de dilatação e contração dos materiais
é diferente. A umidade tem um papel muito importante na origem de
deterioração química, e os problemas de umidade se acentuam quando a
dilatação e a contração dos objetos se devem a variações de umidade
relativa do ar. Tais problemas podem ser prevenidos com a manutenção de
uma umidade relativa do ar constante, idealmente em 55% (BURKE e
ADELOYE, 1988, p. 37).
As instalações de ar condicionado no Brasil são regidas pela
Norma Brasileira NB-10 (Instalações centrais de ar condicionado para
conforto), que estabelece as bases fundamentais para elaboração dos
projetos, das especificações, termos de garantia e aceitação das instalações.
De acordo com CREDER (1996, p. 1) condicionar o ar em um
recinto significa submetê-lo a certas condições, compatíveis com o objetivo
da instalação, independentemente das características exteriores.
Segundo a ASHRAE (1997, p. 37.1), o condicionamento de ar em
um ambiente tem como objetivo o controle de sua temperatura, umidade,
pureza e distribuição no sentido de proporcionar conforto aos ocupantes do
recinto condicionado.
Assim, podemos condicionar o ar para o conforto, para um
melhor desempenho ou durabilidade de equipamentos, materiais ou
processos. Pela NBR-6401, para instalações com a finalidade de ambientes
de arte, utilizados para museus e galerias de artes, é recomendado a
manutenção de temperatura de bulbo seco na faixa de 21 a 23ºC e umidade
relativa de 50 a 55% constantes para o ano inteiro. Já para ambientes
utilizados como depósitos de livros, manuscritos e obras raras, a faixa de
umidade relativa recomendada muda para de 40 a 50% sendo constante para
o ano todo.
Como afirma CREDER (1996, p. 264), há três objetivos principais
ao se projetar um sistema de controles numa instalação de ar condicionado:
conforto, economia e segurança. O conforto consegue-se mantendo a
temperatura e umidade relativa do ambiente dentro dos limites desejáveis; a
economia é obtida fazendo-se com que certos equipamentos sejam
desligados nos momentos de menor carga térmica; a segurança é obtida
acionando-se certos dispositivos toda vez que há alguma anormalidade no
funcionamento da instalação.
Uma série diversificada de sensores, atuadores e outros
elementos do sistema de controle é disponível, usando dispositivos
pneumáticos, elétricos ou eletrônicos. O tipo mais comum em grandes
instalações de ar condicionado ainda é o pneumático, onde os sinais
(variáveis físicas) são transformados e também transmitidos em pressão de
ar que é usada para acionar registros, válvulas e outros atuadores (...). Os
sistemas elétricos competem com os pneumáticos, predominando em
pequenas instalações de ar condicionado (STOECKER e JONES, 1985, p.
180).
Segundo a ASHRAE (1997, p. 37.1) um sistema de controle
automático HVAC (Heating, Ventilation, and Air-Conditioning) pode ser
elaborado usando um controlador digital, pneumático, mecânico, elétrico ou
eletrônico e sugere que a intervenção do homem seja restrita a partida e
parada do equipamento e ao ajuste dos parâmetros do controlador.
Os controladores elétricos e pneumáticos usados em ar
condicionado não permitem a obtenção de um valor preciso da variável
controlada. Além disso, os sistemas pneumáticos ocupam um espaço
apreciável, e os controles elétricos em sua grande maioria trabalham com o
controle liga-desliga (on-off), que acarreta em picos de consumo de energia
e variações no ciclo de compressão a vapor presente nas instalações de ar
condicionado, reduzindo deste modo a eficácia do sistema.
A utilização de um controlador digital implementado por um
computador proporciona as seguintes vantagens: maior precisão na
obtenção dos valores das variáveis; espaço reduzido; rápida resposta do
sistema a perturbações; facilidade de armazenamento de dados; e maior
flexibilidade na implementação do modelo de controle, possibilitando a
implementação de um controle de duas posições (on-off), P (proporcional),
PI (proporcional e integral), PID (proporcional, integral e derivativo) e até
mesmo o de lógica fuzzy, alterando-se apenas o algoritmo de controle
armazenado no computador. Segundo a ASHRAE (1997, p. 37.3) um controle
PI desempenha de forma satisfatória o controle na maioria dos sistemas
HVAC.
1.1 Objetivos
O objetivo deste trabalho é desenvolver e avaliar um sistema de
monitoramento de temperatura de bulbo seco (TBS) e umidade relativa (UR),
que apresente bom desempenho e facilidade de fabricação. Com posterior
modelamento de um sistema de controle de temperatura e umidade por
condicionamento do ar para aplicação em museus. Os objetivos específicos
são:
a) desenvolver um sistema de aquisição de dados de
temperatura e umidade;
b) calibrar ou aferir o equipamento;
c) avaliar a funcionalidade do sistema;
d) propor um modelo de um sistema de controle por
condicionamento do ar para aplicação em museus, a ser desenvolvido em
futuros trabalhos.
1.2 Justificativas
O reduzido número de sistemas de monitoramento digital de
temperatura e umidade disponíveis no mercado brasileiro, foi o principal
fator que impulsionou esta pesquisa.
Os sistemas de monitoramento digital, em sua grande maioria,
apresentam tecnologia “fechada”, inviabilizando sua integração com um
sistema de atuação para controle. Além disso, os sistemas de controle, que
correspondem a sistemas de monitoramento e atuação conjugados,
encontrados no mercado, apresentam alto valor agregado ao produto se
comparado ao custo da tecnologia empregada.
Deste modo, fez-se necessário o desenvolvimento de um
sistema de monitoramento de temperatura e umidade, que apresentasse
bom desempenho, larga faixa de aplicação, facilidade de comunicação com
outros sistemas, aquisição de dados por microcomputador, amigável
interface com o usuário, e que dispensasse calibração dos sensores.
1.3 Limitações e Problemas Enfrentados
Para a viabilidade prática desta pesquisa, elaborou-se um
projeto, e apresentou-o a algumas instituições do governo em busca de
apoio financeiro. As poucas respostas que existiram, foram negativas.
Deste modo, optou-se apenas pelo desenvolvimento do sistema
de monitoramento, já que o sistema de atuação para o controle apresentava
um custo superior.
A solução foi o apoio financeiro por parte de familiares e
docentes, que acreditaram no projeto, e ajudaram de forma incondicional.
II. SENSORES DE TEMPERATURA E UMIDADE
Neste capítulo serão apresentadas as diversas formas elétricas
de como se realizar a medida de temperatura e umidade.
Dado um problema particular, os pesquisadores questionam-se:
Quais variáveis possíveis de se medir são necessárias para a pesquisa?
Qual a freqüência e sobre qual período de tempo as medidas devem ser
realizadas?Qual a precisão é necessária? Qual instrumento irá satisfazer os
requisitos para a medição? Estas perguntas básicas precisam ser
respondidas antes que os pesquisadores saiam para o campo (ou
laboratório). O pesquisador deve rever a literatura relevante e conceitos
teóricos para apontar na determinação das variáveis que devem ser medidas
para a resolução do problema (DEFELICE, 1998, p. 2).
O resultado de uma variável a ser medida, pode ser obtido de
forma direta ou indireta. Por exemplo, a distância entre a base e o topo de
um edifício, pode ser obtida de modo indireto, pela medida da diferença de
pressão barométrica. Usando-se a relação geométrica entre o comprimento
da sombra e o ângulo de incidência dos raios solares, obtém-se a altura do
edifício de uma forma mais indireta. Mas medindo-se a altura do edifício com
uma grande fita, obtém-se a medida de uma forma direta.
Então há mais de um caminho para se obter a medida de uma
determinada quantidade, especialmente se a quantidade for a pressão do ar
ou temperatura. Qual método utilizar? A resposta dependerá de seu
problema. Mas, quando for responder a questão de qual instrumento melhor
satisfaz os requisitos, tenha em mente que uma vez tomada a decisão, você
terá que assegurar que o instrumento manterá ótima performance durante
toda a pesquisa.
A escolha do instrumento requer as seguintes considerações:
escala, limitação, resposta, resolução, sensibilidade, e precisão do
instrumento. Alguns fatores adicionais devem ser considerados na escolha
do instrumento: compatibilidade com outros instrumentos, simplicidade do
projeto, facilidade de leitura, armazenamento ou transmissão do dado de
saída, robustez, durabilidade, custo inicial, e custo de manutenção.
Também é importante que o sinal de saída do instrumento
escolhido cubra a faixa de valores desejados para a experiência.
Equações
Diferenciais
são
usadas
para
modelar
o
comportamento dinâmico de dispositivos de medida, mesmo sabendo que
os modelos nunca serão exatos. Equações Diferenciais Lineares com
coeficientes
constantes
facilmente
inseridas
Entretanto
tais
comportamento
apresentam
em
equações
do
modelos
são
dispositivo
soluções
programáveis
sempre
de
conhecidas,
em
aproximações
medida,
o
que
que
são
computadores.
do
verdadeiro
sempre
contém
características não lineares e comportamento que varia no tempo.
A resposta de um instrumento com saída de sinal linear é obtida
pelo método da superposição, que consiste na simples soma das respostas
de cada uma de várias entradas sentidas pelo equipamento.
Para respostas com saídas de sinal não lineares existentes em
alguns instrumentos, considerações adicionais devem ser levadas em conta,
como exemplo, histerese e leitura.
Instrumentos digitais idealmente devem apresentar erros dentro
da metade do valor de uma unidade do bit menos significativo (L.S.B – Last
Significant Bit), mas na prática ele encontra-se dentro da variação de uma
unidade do bit menos significativo.
2.1 Sensores de Temperatura
A medição da temperatura pode ser realizada através dos
seguintes sensores elétricos / eletrônicos:
a) Resistências metálicas (RTD);
b) Termopares;
c) Termistores (NTC e PTC);
d) Sensores de silício;
e) Sensores de radiação.
Em geral a maior dificuldade consiste em decidir entre RTDs e
termopares, ou entre NTCs e sensores de silício. Os sensores de radiação
têm aplicações mais definidas e por isso não entram em comparação com
outros sensores no momento de escolha.
2.1.1 Resistências Metálicas (RTD)
Os metais se caracterizam por possuir coeficientes térmicos
positivos de variação da resistência. O aumento da energia interna resulta
no aumento de sua resistividade.
Esta propriedade é a muito tempo utilizada no projeto e
construção de sensores de temperatura de resistência metálica, que são
designados pelas siglas RTD (Resistance Temperature Detector). A figura 2.1
apresenta os símbolos elétricos deste dispositivo e o aspecto exterior de
alguns sensores de temperatura de resistência metálica comerciais.
FIGURA 2.1 – Símbolos e aspectos de sensores RTDs comerciais.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Dado um condutor metálico com resistividade ρ , comprimento
l e área de seção transversal Α , sua resistência elétrica será dada por:
R=
ρ .l
(2.1)
Α
Consideremos que um fio metálico encontra-se imerso em um
meio com a temperatura Ta . Se o volume e a massa do fio são muito
pequenas em comparação com o meio, no equilíbrio térmico, o fio adotará a
mesma temperatura do meio sem “trocar” energia com o mesmo, não
afetando desta maneira o meio com a inserção do fio. Em equilíbrio térmico,
o fio apresentará uma resistência RTa proporcional a temperatura Ta . Se a
temperatura do meio aumentar até Tb > Ta , a resistividade ρ , o comprimento
l e a área de seção transversal Α do fio mudam em conseqüência a
dilatação do metal. Se compararmos as pequenas mudanças de dimensão
em relação a mudança da resistividade ρ , então a resistência do fio R
modificará linearmente com a resistividade, e esta, por sua vez, com a
temperatura. Assim, a partir da equação 2.1 se obtém a relação entre
variação da temperatura do meio e a variação da resistência do RTD.
TABELA 2.1 – Resistividade e coeficiente térmico de metais usados em
RTDs.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Coeficiente térmico ( α )
Metais
Resistividade ( ρ ), [ Ω.m ]
Platina, Pt
10,6 x10 −8
3,9 x10 −3
Níquel, Ni
6,84 x10 −8
7 x10 −3
Cobre, Cu
1,86 x10 −8
4,3x10 −3
[ K −1 ]
Os fabricantes oferecem para cada RTD sua tabela de
calibração, que é uma lista dos valores de resistência R correspondente a
cada temperatura T. Com estes dados, pode-se construir a curva de
calibração do RTD, ou seja, o gráfico da resistência RT em função de sua
temperatura.
O valor da resistência RT para a temperatura de zero graus
centígrados se denomina R0 . A figura 2.2 apresenta uma parte da curva de
calibração de um RTD conhecido como Pt100, onde o valor de R0 é 100Ω.
FIGURA 2.2 – Curva de calibração de um Pt100 para -200 a +300ºC.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Na figura 2.3 encontra-se as curvas de calibração normalizadas
para três RTDs de diferentes materiais para a margem de -200 a + 300ºC.
Para a platina e o cobre R0 é igual a 100Ω, e para o níquel R0 = 120Ω .
FIGURA 2.3 – Curvas de calibração normalizadas de três RTDs.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Observa-se que a RTD com pior sensibilidade é a de platina,
pouco superada pela de cobre e bastante superada pela de níquel.
Entretanto, se analisarmos a linearidade das curvas, a de níquel apresenta
uma grande não linearidade e por esta razão, prefere-se utilizar as RTDs de
platina e de cobre.
2.1.2 Termopares
Um termopar é um sensor de temperatura constituído por dois
metais diferentes cuja característica principal é a produção de tensão
proporcional a diferença de temperatura entre dois pontos de união de
ambos metais. O princípio de funcionamento do termopar está relacionado a
três fenômenos:
a) Efeito Seebeck;
b) Efeito Peltier;
c) Efeito Thomson.
O primeiro foi descoberto por Thomas Johan Seebeck em 1821,
ao observar que dado dois condutores diferentes formando um circuito
fechado, com uma de suas uniões a uma temperatura T1 e a outra uma
temperatura diferente T2 , aparece uma força eletromotriz que gera uma
corrente que circula e se mantêm enquanto as temperaturas forem
diferentes. Ao abrir o circuito, observa-se presença de uma tensão entre os
terminais (FIG. 2.4).
Em 1834 Jean C. A. Peltier descobriu o fenômeno inverso que
consiste em fazer circular uma corrente pelo termopar, uma das uniões se
esquenta e a outra se esfria. Além disso, ao se inverter a circulação da
corrente, as uniões que se esquenta e se esfria se invertem.
Willian Thomson (Lord Kelvin) descobriu em 1854 que quando
se faz circular uma corrente constante através de um condutor, sendo que
em uma de suas extremidades mantêm uma temperatura diferente do que na
outra, produz-se deste modo uma transferência de calor proporcional,
aproximadamente, ao produto da corrente pelo gradiente da temperatura.
Invertendo o sentido desta corrente, inverte-se o sentido da transferência de
calor. Observa-se que este efeito é diferente ao efeito Joule em que a
transferência de calor é proporcional ao quadrado da corrente e não admite
a inversão.
FIGURA 2.4 – Efeito Seebeck. (a) Ao aquecer uma das uniões em relação a
outra, observa-se a circulação de uma corrente proporcional a diferença das
temperaturas; (b) ao abrir o circuito, observa-se a presença de tensão entre
os terminais.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
O efeito termoelétrico pode ser explicado de forma teórica a
partir da estrutura atômica do material. Em geral, os elétrons situados no
nível mais externo estão fracamente unidos ao núcleo. Quando se aquece o
condutor em uma de suas extremidades, estes elétrons aumentam de
energia e tendem a alcançar a outra extremidade pelo mecanismo de
difusão, de forma que a extremidade fria adquire carga negativa e a
extremidade quente adquire a carga positiva. Isto provoca, por sua vez, um
campo elétrico que tende a se opor a difusão de forma a buscar um estado
de equilíbrio.
Ainda que o termopar possa ser construído com dois metais
diferentes quaisquer, a necessidade de uma elevada sensibilidade,
estabilidade ao longo do tempo, e linearilidade têm levado a utilização de
determinados materiais, dando lugar a diferentes tipos. Os mais importantes
são: J, K, N, T, R, S e B. Na tabela 2.2 encontram-se as principais
características destes termopares.
TABELA 2.2 – Tipos de termopares e características fundamentais.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Tipo
Composição (terminal
Recomendada
Sensibilidade
positivo – negativo)
faixa para medição
(a 25ºC)
J
Fe – Constantán
0 a 760ºC
51,5 µV/ºC
K
Cromel – Alumel
-200 a 1250ºC
40,5 µV/ºC
N
Nicrosil – Nisil
0 a 1260ºC
26,5 µV/ºC
T
Cu – Constantan
-200 a 350ºC
41,0 µV/ºC
R
13%Pt 87%Rh - Pt
0 a 1450ºC
6 µV/ºC
S
10%Pt 90%Rh – Pt
0 a 1450ºC
6 µV/ºC
B
30%Pt 70%Rh – 6%Pt
9 µV/ºC (a
800 a 1800ºC
94%Rh
1000ºC)
A união entre os dois condutores que constituem um termopar,
é denominada de união quente, podendo ser realizada por um simples
trançar dos cabos, fusão ou união através de solda. Embora que na solda há
a utilização de um metal adicional, a tensão observada não varia.
Por
outra
parte,
há
três
tipos
de
união
segundo
o
encapsulamento das mesmas (FIG. 2.5):
a) União a massa: a união faz contato com a cápsula. É a mais
utilizada devido a proteção do termopar em relação ao ambiente sem que
haja redução excessiva de seu tempo de resposta (aproximadamente 2 s);
b) União isolada: a união está separada da cápsula mediante um
isolante elétrico de elevada condutividade térmica (normalmente óxido de
magnésio). Adequado para medição de líquidos condutores. O tempo de
resposta pode rondar em torno de 5 s.
c) União exposta: a união não se encontra encapsulada.
Apresenta a vantagem de um reduzido tempo de resposta (0,1 s). Entretanto,
o termopar se degrada rapidamente quando exposto a temperaturas muito
elevadas.
FIGURA 2.5 – Tipos de união. (a) A massa; (b) isolada; (c) exposta.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
A tensão entre os terminais de um termopar depende da
temperatura das uniões. Tomemos a união situada na zona que se deseja
medir como união quente, e a união aonde se encontra a união com o
equipamento de medição como união fria; para tanto, para cada temperatura
da união fria há uma curva de calibração. Não obstante, conhecendo a curva
de calibração para uma determinada temperatura de uma das uniões, podese conhecer a curva de calibração para qualquer temperatura aplicando a lei
de temperaturas intermediarias. Assim, as curvas de calibração dos
termopares encontram-se redigidas em uma série de tabelas que mostram a
tensão do termopar supondo que uma das uniões encontra-se a 0ºC.
Em geral, as curvas de calibração são bastantes lineares, figura
2.6, especialmente as correspondentes aos metais bases. Em muitos casos a
resposta se aproxima de uma linha reta com um erro aceitável.
FIGURA 2.6 – Tensão termoelétrica dos diferentes termopares em função da
temperatura de uma união quando a outra é mantida a 0ºC.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
2.1.3 Termistores
Os termistores são sensores de temperatura do tipo resistivo. O
nome de termistor nasce da contração das palavras inglesas “thermal” e
“resistor” (resistência sensível a temperatura). Os termistores se dividem em
dois grupos em relação ao sinal do coeficiente de temperatura da resistência
( α ): NTC (Negative Temperature Coefficient) que apresentam um coeficiente
de temperatura negativo e PTC (Positive Temperature Coefficiente) com um
coeficiente de temperatura positivo.
2.1.3.1 Termistores: NTCs
Os NTCs são resistências de materiais semicondutores cuja
resistência diminuem com o aumento da temperatura, e são constituídos por
uma mistura de óxidos metálicos. Geralmente se utilizam combinações de
Ni-Mn-O, Ni-Cu-Mn-O e Ti-Fe-O. O mecanismo de condução deste tipo de
material semicondutor é complexo, se comparado com o que ocorre com um
simples cristal de silício. Basicamente, o incremento da temperatura
contribui com a energia necessária para que se incremente o número de
portadores capazes de se mover, o que leva ao incremento na condutividade
do material. Os símbolos elétricos dos termistores estão indicados na figura
2.7.
FIGURA 2.7 – (a) Símbolo elétrico de um NTC, o sinal negativo indica que a
sensibilidade é negativa, a linha que corta o dispositivo indica que a
resistência muda com a temperatura; (b) símbolo elétrico de um PTC.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
A característica da resistência em relação a temperatura em um
NTC está mostrada pela figura 2.8. Se observa que a relação entre a
resistência e a temperatura não é linear, sobre tudo, quando se considera
uma ampla margem de temperatura. Por outro lado, sua sensibilidade é
grande a baixas temperaturas e diminui conforme aumenta esta. Uma
sensibilidade alta é uma característica desejada a qualquer sensor, sendo
esta a maior vantagem dos termistores em relação aos outros sensores de
temperatura.
FIGURA 2.8 – Relação entre resistência e temperatura de um NTC de 10 KΩ a
25ºC e de um RTD.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Os NTCs medem temperaturas absolutas, com um valor máximo
de 500ºC e a mínima de -70ºC. Sua velocidade de resposta não é muito
elevada.
Os NTCs não componentes robustos, confiáveis, sensíveis e
econômicos. Seus maiores inconvenientes são: lenta resposta, a presença
de grandes tolerâncias em sua fabricação, relativa estabilidade e um campo
de medida limitado.
2.1.3.2 Termistores: PTCs
Os PTCs são termistores com coeficiente de temperatura
positivo. Apresentam a propriedade de mudar de modo brusco seu valor
resistivo quando a temperatura supera um valor crítico característico do
material. São fabricados com materiais cerâmicos policristalinos dopados
com impureza.
A característica da resistência em relação a temperatura de um
PTC de comutação típica, está ilustrada na figura 2.9. A temperaturas
inferiores a
TS
(temperatura de comutação), o PTC manifesta um
comportamento similar aos dos semicondutores, com um coeficiente de
temperatura negativo.
Quando a temperatura se aproxima de TS , temperatura de Curie,
a resistência do dispositivo se incrementa rapidamente. Observa-se na
figura, que em um certo ponto, mesmo com o acréscimo da temperatura, o
coeficiente volta a ser negativo. Na maioria dos PTCs, TS se situa entre 50ºC
e 160ºC.
FIGURA 2.9 – Curva da resistência de um PTC em relação a temperatura.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
2.1.4 Sensores de Silício
O sensor LM35 é um sensor de temperatura de precisão, que
apresenta uma tensão de saída linear e proporcional a variação de
temperatura. O LM35 não requer qualquer calibração externa ou ajuste
perfeito de capacitância e resistência no circuito, para obter precisão de
0.25ºC a temperatura ambiente, e de 0.75º para a faixa de -55ºC a +150ºC.
Baixa impedância de saída, saída linear, e precisão inerente a calibração são
características deste sensor que tornam o interfaceamento para leitura da
temperatura uma tarefa simples. Na figura 2.10 encontra-se a descrição dos
pinos do sensor LM-35.
FIGURA 2.10 – (a) Visão inferior dos pinos de um LM35; (b) relação das
ligações.
FONTE: National Semiconductors.
A saída linear do sensor LM35DZ está representada pela figura
2.11. Observa-se nesta figura que a cada variação de um grau Celsius,
haverá a variação de 10 mV.
FIGURA 2.11 – Representação da tensão de saída do sensor em relação a
variação de temperatura.
2.1.5 RTD x Termopar
Industrialmente, os sensores de temperatura mais utilizados são
os termopares e os RTDs. Ainda que exista RTDs de diferentes metais
(cobre, níquel e etc.), os mais utilizados são de platina, devido a sua
linearilidade, estabilidade e repetibilidade. Existem dois tipos fundamentais
de RTDs de platina: os de filme e os bobinados. A bobinadas apresentam
melhores características, entretanto seu preço é mais elevado.
Enquanto os termopares apresentam vários tipos em função dos
materiais que os constituem cujas diferenças mais importantes são a faixa
de medida e o ambiente ao qual são destinados (oxidante, redutor e etc.).
A faixa de medida constitui um dos fatores mais importantes na
escolha de um termopar. Os RTDs de platina são adequadas para medir
entre a faixa de -200ºC a 850ºC como máximo, mesmo que na prática seu
limite superior seja e 600ºC. Os termopares permitem alcançar temperaturas
maiores (até 1800ºC, dependendo do tipo). Industrialmente é habitual a
necessidade de se medir temperaturas fora do alcance de um RTD, neste
caso resulta na seleção de um termopar.
Uma das características mais destacadas dos RTDs é a sua
excelente estabilidade que constitui uma de suas principais razões para sua
escolha. Os termopares são menos estáveis quando expostos a médias ou
altas temperaturas. Deste modo, não são aconselhados em aplicações
críticas.
Um dos pontos negativos dos RDTs é a robustez, suas bobinas
são feitas de um fio fino de platina que pode se romper com relativa
facilidade. Já os termopares são muito robustos e apresentam uma duração
maior que os RDTs. Por isso, os termopares são mais adequados aos
ambientes industriais.
2.1.6 NTC x Sensores de Silício
A seleção entre um NTC e um sensor de silício resulta em uma
decisão a cada vez mais difícil. Em princípio, os NTCs apresentavam uma
faixa útil de medida mais ampla. Existem NTCs que permitem medir
temperaturas de até 500ºC, ainda que a grande maioria não ultrapasse os
100-150ºC.
Um dos pontos negativos dos NTCs
é a sua baixa
intercambialidade, que exige algum tipo de calibração do sistema a cada
substituição do sensor.
Os sensores de temperatura de silício são uma excelente
alternativa aos termistores, ainda que o seu custo seja geralmente maior.
Apresentam a vantagem de proporcionar diretamente a saída em tensão, e
uma sensibilidade bastante elevada, resultanto, cada vez mais, na sua
utilização no lugar dos termistores (PÉRES GARCÍA e ÁLVAREZ ANTÓN,
2004, P. 477).
2.1.7 Comparação Entre Diferentes Sensores de Temperatura
Na tabela 2.3 apresentam-se as principais características dos
RDTs, termopares, NTCs e sensores de silício.
TABELA 2.3 – Comparação entre diferentes sensores de temperatura.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
Sensor
Características
Custo do sensor
RTD
RTD
(filme)
(bobina)
Médio a
Médio
Termopar
Termistor
Silício
Baixo
Baixo a
Baixo
baixo
Custo do sistema
médio
Baixo a
Médio
Médio
Alto
-200 a
-200 a
-270 a
-100 a
-55 a
750ºC
850ºC
1800ºC
500ºC
150ºC
± 0,1%,
± 0,06%,
± 0,5%,
± 10%,
± 1%,
± 0,3ºC
± 0,2ºC
± 2ºC
± 0,2ºC
± 3ºC
Estabilidade
Excelente
Excelente
Baixa
Média
Média
Sensibilidade
0,39%/ºC
0,39%/ºC
40 µV/ºC
-4%/ºC
10 mV/ºC
Média
Média
Baixa
Linearilidade
Excelente
Excelente
Media
Inclinação
Positiva
Positiva
Positiva
Negativa
Positiva
Baixa
Baixa
Alta
Baixa
Baixa
Faixa de medição
Intercambialidade
Sensibilidade
relativa
Susceptibilidade
a ruído
médio
Muito
elevada
Não é
linear
Baixo
Média
Média
2.2 Sensores de Umidade
A umidade pode ser descrita como:
a) Umidade relativa: pela razão de água em relação a pressão de
saturação;
b) Umidade específica: pela massa de água por unidade de
massa de ar seco;
c) Razão de volume: pela parte de vapor de água por milhões de
partes de ar.
Pelo método clássico, a umidade relativa é obtida nas cartas
psicométricas e definida pela leitura de dois termômetros. Realizando a
medida da temperatura de bulbo seco e a de bulbo úmido, encontra-se
através de fórmulas a umidade relativa.
2.2.1 Sensores Resistivos
O transdutor elétrico do tipo Dunmore foi o primeiro sensor de
umidade relativa fabricado em massa, sendo ele largamente utilizado. Foi
desenvolvido pela primeira vez em 1944 por F. W. Dunmore nos laboratórios
da National Bureau of Standards (NIST). Na figura 2.12, apresentam-se
alguns dos modelos de sensores resistivos.
FIGURA 2.12 – Exemplos de sensores resistivos encontrados no mercado
FONTE: Sensormag.
Basicamente, um sensor do tipo Dunmore é um elemento
resistivo que muda sua resistência com a umidade relativa. O elemento
resistivo é construído a partir de um duplo espiral de fios de metal nobre em
uma forma plástica com espaços definidos entre os fios, sendo os espirais
cobertos por uma solução de cloreto de lítio. A relação da impedância do
sensor em relação a variação da umidade é caracterizado por uma função
exponencial negativa (FIG. 2.13). A relação entre a resistência e a umidade
relativa é completamente não linear e, geralmente, um único transdutor pode
cobrir apenas uma pequena extensão de leitura, da ordem de 10% da
umidade relativa. Variando-se a concentração de cloreto de lítio, pode-se
alcançar uma maior faixa de medição da umidade relativa, na ordem de 20 a
40%.
FIGURA 2.13 – Curva da resistência x umidade relativa do sensor PCRC-55.
FONTE: National Semiconductors
Para medições de uma larga faixa, por exemplo, de 5 a 99% da
umidade relativa, é necessário a utilização de sete a oito transdutores, sendo
cada um designado para uma específica parte da faixa de medição. Um único
elemento sensor em uma estreita faixa pode apresentar uma incerteza na
ordem de 2% da umidade relativa, e resolução em torno de 0,15%.
Na prática, usa-se uma fonte de excitação de 30 Hz a 10 kHz
ligada ao sensor resistivo de umidade relativa, associado a amplificadores,
filtros e retificadores (FIG. 2.14). Deste modo, obtém-se uma saída de tensão
linearilizada (FIG. 2.15).
FIGURA 2.14 – Circuito sugerido pelo fabricante do sensor PCRC-55.
FONTE: National Semiconductors
FIGURA 2.15 – Saída de tensão x umidade relativa.
FONTE: National Semiconductors
Faz-se necessário a compensação da temperatura dos valores
medidos por estes sensores. Estes sensores não devem adicionar ou
absorver umidade ou calor do meio em valores significativos, e devem ser
utilizados em ambientes fechados. A expectativa de vida útil deste sensor,
se utilizado em ambientes prediais, é superior a 5 anos. Podendo apresentar
uma faixa de temperatura nominal dentro de -40 a 100ºC, dependendo do
modelo e fabricante.
Seu tamanho reduzido, baixo custo e estabilidade são os
principais fatores positivos que contribuem em sua utilização em controle,
com aplicação na área industrial, comercial e residencial.
2.2.2 Sensores capacitivos
Os sensores de umidade relativa são utilizados em diversas
aplicações industriais. Por exemplo, é necessário controlar a umidade na
industria
têxtil,
alimentícia,
fabricação
de
papel,
armazenamento,
farmacêutica, etc.
Existem diferentes tipos de sensores capacitivos de umidade
relativa, segundo a composição das placas do condensador, o material
dielétrico e o substrato empregado. O dielétrico pode ser um óxido de
alumínio, silício poroso ou um polímero. O substrato é geralmente cerâmico,
de cristal ou de silício. Na figura 2.16 apresentam-se diferentes tipos de
sensores capacitivos de umidade encontrados no mercado.
FIGURA 2.16 – Exemplos de sensores capacitivos encontrados no mercado
FONTE: Sensormag.
Um sensor capacitivo de umidade com o dielétrico constituído
de um material polímero, apresenta a habilidade de absorver moléculas de
água , que resulta na mudança da constante dielétrica do condensador. Na
figura 2.17 encontra-se um esquema da estrutura de um sensor de umidade
com o dielétrico constituído por uma material polímero e substrato de silício.
FIGURA 2.17 – Construção de um sensor de umidade capacitivo.
FONTE: PÉREZ et al., 2004.
A mudança incremental da constante dielétrica de um sensor de
umidade capacitivo é proporcional a umidade relativa que se encontra em
torno do sensor. A mudança da capacidade encontra-se entre 0,2 e 0,5 pF
para cada variação de 1% da umidade relativa. Os sensores capacitivos se
caracterizam por um baixo coeficiente de temperatura, capacidade de
trabalhar a altas temperaturas (até 200ºC), e recuperação rápida de
condensação.
Sensores capacitivos de filmes finos têm recentemente se
tornados populares na leitura da umidade relativa (DOEBELIN, 1990, p. 727).
2.2.2.1 Sensor HIH-3610
O sensor HIH-3610 fabricado pela Honeywell apresenta em sua
saída uma relação linear entre a tensão de saída e a variação da temperatura.
Dispensa calibração, apresenta alta precisão, rápida resposta e estabilidade.
Na tabela 2.4 encontram-se suas principais características.
TABELA 2.4 – Características do sensor HIH-3610 da Honeywell.
FONTE: Honeywell.
Características
Alimentação
5 Vcc
Faixa de medição
0 a 100% UR
Saída
0,8 a 3,9 Vdc (Vcc = 5V, 25ºC)
Precisão
± 2% UR
Linearilidade
± 0,5% UR
Histerese
± 1,2% UR
Repetibilidade
± 0,5% UR
Tempo de resposta
15 s com ar parado a 25ºC
Estabilidade
± 1% UR a 50% UR durante 5 anos
Tensão de saída
VO = VCC [0,0062 x(%UR ) + 0,16] @ 25 o C
Compensação da
temperatura
UR real = (%UR ) /(1,0546 − 0,00216T ) , T em ºC
A curva característica do sinal de saída do sensor está
representada na figura 2.18, para as temperaturas de 0, 25 e 85ºC.
FIGURA 2.18 – Tensão de saída x umidade relativa, a 0, 25 e 85ºC.
FONTE: Honeywell.
2.2.2.2 Sensor HS 1101
O sensor HS 1101 fabricado pela Humirel dispensa calibração,
apresenta rápida resposta e estabilidade. Não apresenta, como no HIH-3610,
saída linear do sinal de acordo com a variação da temperatura (FIG. 2.19).
Além disso, necessita de um oscilador para excitação do sensor para obter
uma relação linear entre a tensão e a umidade relativa, o que leva a utilização
de componentes adicionais na montagem do circuito de acondicionamento
do sinal. Na tabela 2.5 encontram-se suas principais características.
TABELA 2.5 – Características do sensor HS 1101 da Humirel.
FONTE: Humirel.
Características
Alimentação
5 Vcc
Faixa de medição
1 a 99% UR
Saída
0,67 a 3,55 Vdc (Vcc = 5V, 25ºC)
Linearilidade
± 2% UR (10 a 90% UR)
Histerese
± 1,5% UR
Tempo de resposta
5 s com ar parado a 25ºC (33 a 75% UR)
Estabilidade
± 0.5% UR / ano
Tensão de saída
VOUT = VCC [0,00474 x (%UR ) + 0,2354] @ 25 o C
FIGURA 2.19 – Capacitância x umidade relativa.
FONTE: Humirel
III REDES DE CAMPO
A comunicação consiste em um fluxo de informações entre
elementos que compõem um sistema. Em geral, a comunicação moderna
entre dispositivos se realiza por meios das denominadas redes digitais. Uma
rede está constituída basicamente por três elementos: um conjunto de
terminais ou nodos que trocam informações, um meio físico de ligação que
conecta estes nodos e um software que permite sua gestão (FIG. 3.1).
FIGURA 3.1 – Elementos de uma de comunicação.
A informação se transmite em geral de duas formas:
a) Série: recebem e enviam sinais em seqüência. Sendo que o
envio / recepção é realizada por 1 bit de cada vez em uma velocidade
programável (FIG. 3.2a);
b) Paralela: como o nome diz, pode transmitir 8 bits (1 byte)
simultaneamente, levando cada bit por um condutor separado (FIG. 3.2b).
FIGURA 3.2 – Transmissão de sinal: (a) serie e (b) paralelo.
A comunicação serial é recomendada em casos de longas
distâncias e em ambientes extremamente ruidosos. Quando a velocidade é
uma condição importante e a ligação é de pequena extensão, pode-se utilizar
uma ligação em paralelo.
A conexão dos terminais pode ser realizada da seguinte forma:
a) conexão ponto a ponto: conexão existente entre apenas dois
terminais, sendo cada terminal localizado em uma das extremidades da linha
de conexão (FIG. 3.3a);
b) conexão multiponto: conexão de mais de dois terminais
através da mesma linha de conexão (FIG. 3.3b).
O fluxo de dado pode se dar de três distintos modos:
a) Full-duplex: comunicação que permite o fluxo de dados entre
dois terminais nos dois sentidos simultaneamente (FIG. 3.4a);
b) Half-duplex: comunicação que permite o fluxo de dados entre
dois terminais nos dois sentidos, mas não de forma simultânea (FIG 3.4b);
c) Simplex: comunicação que permite o fluxo de dados entre
dois terminais em um só sentido (FIG. 3.4c).
FIGURA 3.3 – Tipos de conexão.
FIGURA 3.4 – Tipos de fluxo de dados.
A forma de como se conecta os elementos de uma rede define a
sua topologia. A topologia tem um impacto considerável em seu
comportamento. As três topologias básicas de rede são (FIG 3.5):
a) Anel: cada nodo se encontra ligado ao subseqüente,
formando um laço fechado. Como a informação circula por todas os
terminais que formam o anel, seu rendimento depende do terminal mais
lento. A comunicação é realizada passando-se a informação por todos os
nodos. Se a informação não for para o nodo corrente, ela é transmitida para
o nodo subseqüente, e assim por diante. A desvantagem é que se uma
estação falhar, toda a rede será afetada.
b) Estrela: os terminais se conectam a um nodo comum que
serve como ponto de distribuição para os outros terminais. Caso um
terminal falhe, a comunicação será interrompida apenas entre este nodo e o
comum. Entretanto, no caso do nodo comum falhar, toda a rede será afetada.
c) Barramento: os terminais se unem entre si através de um
conjunto de linhas comuns. Este tipo de topologia é o mais comum em redes
de automação e de campo, já que apresenta flexibilidade na instalação de
novos terminais e alta confiabilidade.
FIGURA 3.5 – Topologias de redes.
3.1 RS-232-C
Trata-se de um velho padrão de comunicação serial definido
pela norma CCITT V.24 (EIA-RS232). É uma rede de ponto a ponto (1 a 1) do
tipo full-duplex, com distancia máxima de 15 metros entre os nodos. Na
prática, pode-se chegar a 100 metros com a utilização de circuitos para
amplificação do sinal. A norma basicamente trata das especificações físicas
do conector, dos níveis de tensão dos sinais e dos sinais de protocolo.
Pode-se utilizar um conector de 25 pinos, DB-25 (FIG. 3.6a). Caso
não
necessite trabalhar com todos os sinais, pode-se adotar o conector de 9
pinos, DB9 (FIG. 3.6b).
FIGURA 3.6 – (a) Conector DB25, (b) conector DB9.
Os dados são transmitidos pela linha TxD e são recebidos pela
linha RxD, em série, bit a bit. Os níveis lógicos, “0” e “1” binários, estão
representados na figura 3.7.
FIGURA 3.7 – Níveis de tensão RS-232-C.
A transmissão poderá ser realizada pelo método síncrono ou
assíncrono. Pelo método síncrono o receptor deverá conhecer o momento
em que será iniciada a transmissão de um bit ou de um caractere. Já pelo
método assíncrono, cada caractere vem precedido por um bit de
inicialização (start) e é finalizado por um ou dois bits de parada (stop) que
garante o sincronismo do receptor e permite o reconhecimento do inicio e
fim do caractere (FIG. 3.8).
FIGURA 3.8 – Transmissão assíncrona de um byte em serie.
Na tabela 3.1 encontra-se a descrição dos principais sinais de
uma interface RS-232.
TABELA 3.1 – Descrição dos principais sinais de uma interface RS-232.
Fonte: PÉREZ et al., 2004.
Sinal I/O
Descrição
FG
-
Proteção terra dos equipamentos - Field Ground.
TxD
O
Linha de transmissão de dados.
RxD
I
Linha de recepção de dados.
RTS
O
O dispositivo está pronto para o envio de um dado. Aguardase a resposta pelo CTS - Request to Send.
CTS
I
Habilitação
para
transmissão.
O
dispositivo
não
pode
trabsmitir se esta linha não estiver habilitada - Clear To Send.
DSR
I
Indica que o receptor está pronto (ligado ou conectado) – Data
Set Ready.
DTR
O
O dispositivo está pronto para transmitir ou receber – Data
Terminal Read.
DCD
I
Indica que o dispositivo está disposto – Data Carrier Detect.
SG
-
Sinal de referencia (massa) – Signal Ground.
3.2 RS-422
É um padrão de comunicação serial do tipo full-duplex, definido
pela norma CCITT V.11 e X.27 (EIA-RS422). A figura 3.9 apresenta a
configuração de uma conexão RS-422 ponto a ponto. É uma rede multiponto
que permite a ligação de um mestre a vários terminais (1 a n). A transmissão
do sinal se dá pelo modo diferencial e apresenta como vantagem a
imunidade a ruído eletromagnético. Os níveis lógicos, “0” e “1” binários, são
estabelecidos em função da diferença de tensão entre dois condutores (FIG.
3.10). Deste modo, é possível obter distâncias maiores entre os nodos, de
1200 a 1500 metros.
FIGURA 3.9 – Conexão RS-422. Onde, “A” é a entrada / saída não inversora e
“B” é a entrada / saída inversora.
Fonte: PÉREZ et al., 2004.
Como se trata de uma rede balanceada, deve-se colocar
resistências de carga nas extremidades da mesma (geralmente 120 Ω). Estas
resistências são utilizadas para prevenir a reflexão de dados na rede.
FIGURA 3.10 – Níveis de tensão das interfaces RS-422 e RS-485.
Fonte: PÉREZ et al., 2004.
3.3 RS-485
Esta rede é uma das mais utilizadas pela indústria. A conexão é
serial do tipo half-duplex, sendo seu padrão definido pela norma EIA-RS485.
Esta rede é baseada na RS-422, e diferencia-se desta por utilizar apenas um
par de fios para enviar e receber dados. Permite trabalhar com a topologia de
rede de barramento, anel, ou estrela. Entretanto, aconselha-se trabalhar com
a topologia de barramento, para facilitar o balanceamento da rede através de
resistências de carga. Apresenta alta imunidade a ruídos e pode-se criar
redes multiponto mestre-escravo de forma bastante simples. Na figura 3.11
encontra-se a configuração de uma conexão RS-485 ponto a ponto.
FIGURA 3.11 – Conexão RS-485. A linha de habilitação DE/RE controla a
transmissão (DE/RE = 1) e a recepção (DE/RE = 0) em cada terminal.
Fonte: PÉREZ et al., 2004.
3.4 Características das Redes mais Utilizadas
A tabela 3.2 apresenta de forma resumida as principais
características das redes mais utilizadas.
TABELA 3.2 – Comparação entre as redes RS-232, RS-422 e RS-485.
Fonte: PÉREZ et al., 2004.
RS-232
Tipo de linha
RS-422
Desbalanceada Balanceada
RS-485
Balanceada
Nº máximo de transmissores
1
1
32
Nº máximo de receptores
1
32
32
Longitude máxima (m)
15
1200
1200
20 Kb/s
10 Mb/s
10 Mb/s
Velocidade máxima
IV CONCEPÇÃO DO PROJETO
A concepção deste projeto está no desenvolvimento de um
sistema de monitoramento de temperatura e umidade, que opere em uma
rede com arquitetura distribuída possibilitando, no futuro, a implementação
de atuadores para o controle das variáveis de interesse.
A arquitetura distribuída é caracterizada por vários núcleos
inteligentes (terminais microcontrolados) que se comunicam com outros
dispositivos através de uma rede digital (FIG. 4.1).
FIGURA 4.1 – Arquitetura distribuída.
O núcleo inteligente (mestre) é um microcomputador que
organiza a transferência de informações na rede, solicitando aos terminais
de medição, a amostragem da temperatura e umidade, e decide quando
determinados terminais devem atuar para o controle.
Desejava-se a utilização de sensores que dispensassem
calibração e que apresentassem facilidade na substituição. Deste modo,
optou-se pelo sensor de temperatura de bulbo seco, LM35, fabricado pela
National Semiconductor, que apresenta saída linear e fácil tratamento do
sinal. No caso da necessidade de uma substituição do sensor de
temperatura, ao trabalhar com um termistor, precisaríamos levantar os
dados da curva do mesmo, para uma posterior calibração. Entretanto,
trabalhando com sensores de silício, como o LM35, a calibração é
dispensável para intervalos de 0.25 ºC. O sensor escolhido para a leitura de
umidade relativa, foi o HIH-3610, fabricado pela Honeywell. Apresenta uma
saída linear, alta precisão, baixa histerese, e cobre a escala de 0 a 100% da
umidade relativa. Em uma eventual substituição, basta inserir seus dados no
microcomputador
através
do
software
que
gerencia
o
sistema
de
monitoramento de temperatura e umidade.
Os terminais microcontrolados (01 a 32) quando solicitados pelo
microcomputador, realizam a leitura de temperatura e umidade. Converte o
sinal analógico dos sensores em digital, e em seguida, enviam ao
computador os valores amostrados, por meio de um protocolo. O
computador realiza o tratamento destes dados, verificando se são válidos ou
não. Sendo válidos, são exibidos na tela de interface com o usuário e
registrados em um banco de dados. Caso não sejam validos, o
microcomputador solicita ao terminal microcontrolado, responsável pelos
dados não válidos, uma nova leitura.
Os terminais microcontrolados para atuação diferenciam-se dos
terminais para medição, por não trabalharem com entradas analógicas e
apresentarem, em vez destas, saídas digitais, ligadas a acopladores ópticos.
A rede de comunicação, bem como o protocolo implementado é mesmo.
Deste modo, um futuro desenvolvimento de terminais para o envio de sinal a
relés, contatores, ou outros dispositivos que possibilitem o acionamento de
sistemas de condicionamento de ar, será de fácil desenvolvimento, uma vez
conhecido o funcionamento da rede, do protocolo de comunicação e da
programação dos terminais microcontrolados.
V REDE DE COMUNICAÇÃO
A comunicação foi implementada através da rede RS485, que
apresenta alta imunidade a ruído e longo alcance. Trabalha com apenas um
par de fios para a comunicação e possibilita a ligação de até 32 terminais
microcontrolados. Estes terminais podem ser de medição das variáveis de
interesse ou de atuação no sistema (FIG. 5.1).
FIGURA 5.1 – Diagrama da rede.
As redes RS485 podem ser formadas por um longo cabo onde
as extremidades dos condutores ligados a resistências de carga, geralmente
120 Ω, para o balanceamento da rede. Os terminais devem ser ligados em
série com o cabo, formando uma longa cadeia, mas, na prática podem ser
ligados através de derivações com alguns metros de comprimento. Dois
condutores, denominados de “A” e “B” são responsáveis pelo meio de
transmissão, não necessitando serem trançados. A informação digital é
definida por meio da diferença de tensão entre estas duas linhas, sem a
necessidade de referência à terra (FIG. 3.10). Quando a diferença é positiva
trata-se de um bit em nível lógico alto (1). Caso contrário, o bit transmitido
tem o valor lógico baixo (0). Na prática, os sinais deslocam-se ao longo do
cabo à velocidade de 100 a 300 metros por cada microsegundo.
Pela definição da rede RS485 pode-se ter até 32 transmissores
ou receptores. Entretanto, como se trata de comunicação half-duplex, só um
terminal pode transmitir de cada vez. Por isso, um protocolo de
comunicação tem de definir quem está autorizado a transmitir, o quê e
quando. Deste modo, foi desenvolvido um protocolo de comunicação que
possibilitou a comunicação na rede pelo principio de mestre-escravo.
O computador comunica-se com os terminais microcontrolados
através
de
um
conversor
RS232/RS485.
Sendo
ele
definido
como
transmissor (mestre) na maior parte do tempo de operação do sistema e
passando a ser receptor (escravo), apenas em curtos intervalos, para
aquisição dos dados amostrados por um terminal microcontrolado. Os
terminais microcontrolados, a priori, são sempre receptores (escravos), e
são transmissores, apenas em curtos intervalos, para a transmissão dos
dados amostrados solicitados pelo computador.
A razão de transmissão de dados é realizada a uma velocidade
de 9600 bps, podendo trabalhar acima de 57600 bps. Com o aumento da
razão de transmissão, o alcance máximo da rede é reduzido e problemas
críticos
de
comunicação
poderão
surgir,
caso
a
rede
não
esteja
corretamente balanceada.
5.1 Transceptor Diferencial de Rede
O circuito integrado (CI) SN75LBC176, fabricado pela Texas
Instruments, foi utilizado com transceptor da rede RS485, sendo o mesmo
um CI projetado para a transmissão de dados de forma bidirecional em redes
multiponto balanceadas. Basicamente ele é responsável pela conversão de
um sinal TTL em RS485. Outro circuito integrado, o ADM1485, fabricado pela
Analog Device, pode ser utilizado em substituição ao mesmo. Entretanto, o
SN75LBC176 demonstrou melhor performance nos testes realizados.
Na figura 5.2 encontram-se os pinos do CI utilizados. Para
ambos CIs citados, a mesma pinagem é valida, mudando-se apenas sua
nomenclatura. O pino 2 (RE) e 3 (DE) devem ser interligados e são os
responsáveis pela definição do terminal como transmissor ou receptor na
rede. Para que o terminal seja transmissor, basta aplicar 5V nestes pinos, e
0V para receptor. O pino 1 (R) deve ser ligado a porta responsável pela
recepção serial dos dados (Rx) do terminal e o 4 (D) deve ser ligado a porta
responsável pela transmissão serial dos dados (Tx). Os pinos 6 (A) e 7 (B)
são respectivamente as linhas “A” e “B” de transmissão na rede RS485. O
pino 8 (Vcc) é ligado a fonte de alimentação (5V) e o pino 5 (GND) a massa do
circuito.
FIGURA 5.2 – Descrição dos pinos do CI SN75LBC176.
FONTE: Texas Instruments.
5.2 Testes Realizados
Para validação do circuito e do CI utilizados na comunicação
RS485 foram realizados testes, aplicando-se tensões que simulassem a
transmissão de bits pela rede. Montou-se então o circuito responsável pela
conversão RS232/RS485, que seria ligado ao computador pela porta serial e
o circuito de conversão TTL/RS485, que estaria presente nos terminais
microcontrolados.
Na figura 5.3 apresenta-se a tensão medida no terminal “R” do
CI SN75LBC176, quando aplicado +12V (0 binário em RS232) na linha de
transmissão (TxD) do terminal responsável pela conversão do sinal
RS232/RS485. Já na figura 5.4 apresenta-se a tensão medida quando
aplicado -12V (1 binário em RS232), simulando-se, deste modo, o envio de
bits por um computador em uma rede RS485, ponto a ponto para um
terminal microcontrolado.
FIGURA 5.3 – Tensão presente no terminal “R”, quando aplicado +12V em
TxD.
FIGURA 5.4 – Tensão presente no terminal “R”, quando aplicado -12V em
TxD.
A simulação inversa, ou seja, o envio de bits pelo terminal
microcontrolado ao computador através da rede RS485, aplicando-se 5V (1
binário em TTL), ou 0V (0 binário em TTL), no pino 4 (D) do CI SN75LBC176, e
as respectivas leituras em RS232 que chegariam ao computador indicadas
pelo multímetro, estão apresentadas nas figuras 5.5 e 5.6 respectivamente.
FIGURA 5.5 – Tensão presente no terminal RxD quando aplicado 5V em “D”.
FIGURA 5.6 – Tensão presente no terminal RxD quando aplicado 0V em “D”.
VI CONVERSOR RS232/RS485
O conversor RS232/RS485 possibilita a comunicação do
computador (PC) com os terminais microcontrolados presentes na rede
RS485.
6.1 O Conversor
A
figura
6.1
apresenta
a
vista
externa
do
conversor
RS232/RS485. Ele é composto basicamente por uma entrada RS232 que deve
ser ligado a porta serial do PC e uma saída RS485 que permite a ligação do
computador a rede. Há também uma chave para ligar e desligar o conversor,
e um LED que indica se o mesmo se encontra ligado ou desligado.
FIGURA 6.1 – Vista externa do conversor RS232/RS485.
Encontra-se na parte interna de uma caixa metálica, de 25x15x10
cm, o circuito responsável pela conversão dos sinais RS232/RS485 e uma
fonte de computador (FIG. 6.2).
Há um conector parafusável que permite a ligação do conversor
às linhas “A” e “B” da rede RS485 e a alimentação dos terminais
microcontrolados através de uma fonte de PC para curtas e médias
distâncias. Como se trata de uma fonte alimentando os circuitos, leva-se
cerca de 10 minutos para a estabilização da mesma.
FIGURA 6.2 - Vista interna do conversor RS232/RS485.
6.2 O Cicuito
Na figura 6.3 temos o diagrama do circuito do conversor
RS232/RS485. A comunicação é estabelecida pelas linhas Rx e Tx da porta
serial do PC. A linha DTR da porta serial foi utilizada para definição do
computador como transmissor ou receptor na rede.
FIGURA 6.3 – Diagrama do circuito do conversor RS232/RS485.
Como o transceptor SN75LBC176 converte apenas sinais TTL
em RS485, fez-se necessário a utilização do circuito integrado MAX232 para
a conversão dos sinais RS232 da porta serial em TTL.
VII TERMINAL MICROCONTROLADO
Os terminais microcontrolados desenvolvidos, responsáveis
pela medida de temperatura e umidade, baseiam-se em alguns conceitos de
sensores inteligentes, apresentando conversão analógica / digital, autoidentificação, e comunicação com uma rede digital.
7.1 O Terminal
Na figura 7.1 encontram-se duas vistas externas do terminal,
destacando-se os principais elementos da parte frontal e traseira.
FIGURA 7.1 – Vista externa do terminal microcontrolado, sendo (a) vista
superior com destaque da parte frontal, e (b) vista superior com destaque da
parte traseira.
O circuito do terminal microcontrolado foi fixado na parte interna de
uma caixa plástica, de 4x5x3 cm. Os sensores foram encapsulados por
difusores de ar, para que no caso do ar não estar parado, seja reduzido os
erros de leitura, já que o principio de amostragem destes sensores baseiamse na transferência de massa do fluido amostrado. Além disso, estes
difusores proporcionam aos sensores um ambiente escuro com poucas
frestas, apenas para a entrada do ar, reduzindo deste modo a absorção de
calor nos sensores por radiação da luz.
No caso de longas distancias entre o conversor RS232/RS485 e
o terminal microcontrolado, poderá ocorrer queda de tensão, não chegando
ao terminal microcontrolado a tensão de alimentação desejada. Deste modo,
disponibilizou-se um conector sayno do tipo P2 fêmea que possibilita a
inserção de uma fonte externa de 5 Vcc para a alimentação do terminal,
excluindo-se deste modo a alimentação presente no barramento.
Três LEDs foram adicionados ao circuito, com o objetivo de
facilitar ao usuário a visualização da operação do terminal, e detecção de
possíveis erros de forma visual, rápida e simples. O LED amarelo indica a
presença de dados na rede, ou seja, caso o computador requisite uma
amostra na rede, este sinal se propagará por toda a rede, fazendo o LED
psicar. Caso o terminal não indique a presença deste dado, possivelmente o
cabo estará rompido, ou as ligações das linhas “A” e “B” da rede ao terminal
foram efetuadas de modo incorreto. O LED verde indica se o terminal se
encontra como receptor ou transmissor. Anteriormente foi definido que os
terminais são receptores na maior parte do tempo, deste modo este LED
deverá se encontrar aceso durante este período, e apagando apenas nos
momentos em que o terminal for transmissor. O LED vermelho indica que as
amostras de temperatura e umidade foram realizadas e enviadas com
sucessor a rede RS485. Caso estes dados não estejam sendo exibidos na
tela do computador, algo de errado deverá ter ocorrido com o terminal.
7.2 O Circuito
Na figura 7.2 temos o diagrama do circuito desenvolvido para os
terminais microcontrolados, sendo ele composto por um microcontrolador
PIC12F675, LEDs, resistores, capacitores, circuito integrado SN75LBC176, e
os sensores LM35 e HIH3610.
FIGURA 7.2 - Diagrama do circuito do terminal microcontrolado.
O microcontrolado PIC12F675, fabricado pela Microchip, permite
a entrada de até 4 sinais analógicos. Neste trabalho, foi necessário apenas
duas entradas analógicas, os canais 0 (pino 7) e 1 (pino 6), que
correspondem as entradas dos sinais analógicos dos sensores de
temperatura e umidade respectivamente. O pino 3 do PIC, é responsável pela
definição de quando o terminal estará como receptor ou transmissor, sendo
o mesmo ligado aos pinos 2 e 3 do transceptor SN75LBC176. O pino 5, tal
como o pino 3, apresenta uma configuração de saída digital TTL, sendo
utilizado o pino 5 apenas para indicar, por meio do LED vermelho, se a
transmissão dos dados amostrados foi efetivada ou não. Nos pinos 2 e 4 foi
implementado
uma
lógica
para
comunicação
serial,
já
que
este
microcontrolador não apresenta as linhas “Tx” e “Rx” de comunicação
serial.
O sensor LM35 foi ligado de tal modo que fornece a entrada
analógica do microntrolador uma tensão de 10 mV para cada grau Celsius
medido. Assim, teremos na saída do sensor um sinal linear como
representado na figura 2.11. O sensor HIH3610 dispensa ligações de
resistências e capacitores como ocorre no sensor LM35.
Na figura 7.3 temos uma foto da vista superior do circuito do
terminal microcontrolado, e em destaque seus principais elementos.
FIGURA 7.3 – Foto do circuito do terminal microcontrolado.
7.3 O Primeiro Teste
O primeiro teste de comunicação do computador com um
terminal microcontrolado, foi realizado com o auxilio do software Siow
(presente no compilador de C para PIC PCWH). Este software possibilitou a
leitura e escrita de dados pela porta serial do PC, além da mudança do
estado da linha de controle DTR, que é responsável pelo chaveamento de
quando
o
computador
será
transmissor
ou
receptor.
Validada
a
comunicação deu-se inicio ao desenvolvimento do software em Delphi.
FIGURA 7.4 – Tela do Siow.
VIII O SOFTWARE
O
desenvolvimento
do
software
para
o
sistema
de
monitoramento de temperatura e umidade teve como objetivo a criação de
uma interface amigável ao usuário, que permitisse uma fácil operação. Ele é
responsável pela requisição das variáveis desejadas aos terminais
microcontrolados, e determina os intervalos em que serão realizadas as
amostras. O mesmo realiza a aquisição dos dados, e verifica a validação dos
mesmos. Exibe os dados amostrados na tela, e armazena-os em um banco
de dados implementado em SQL, através do servidor e gerenciador MySQL.
8.1 Interface com o Usuário
Há três principais telas de interface com o usuário. A tela
principal (FIG. 8.1) permite ao usuário a visualização dos dados amostrados
em cada terminal microcontrolado. Além disso, por esta tela o usuário pode
verificar se ocorreu ou não erro durante a comunicação do computador com
os terminais microcontrolados. Quando ocorrer um erro de comunicação, a
caixa de indicação do terminal microcontrolado irá modificar de coloração,
mudando de cinza para vermelho ou azul, indicando erro de comunicação
durante a leitura de temperatura ou umidade respectivamente. Possibilitando
desta forma uma fácil e rápida visualização de erro no sistema.
Erros de comunicação, bem como erros de dispersão dos dados
amostrados são registrados no banco de dados. Deste modo, é possível
verificar através de um relatório se os sensores e o terminal microcontrolado
se encontram debilitados, necessitando de uma substituição.
As outras duas principais telas são de visualização através de
gráficos das últimas leituras realizadas de temperaturas (FIG. 8.2) e umidade
relativa (FIG. 8.3). Permitindo deste modo que o usuário acompanhe a
variação da temperatura e umidade.
FIGURA 8.1 – Tela principal do software.
FIGURA 8.2 – Gráfico de exibição das últimas temperaturas amostradas.
FIGURA 8.3 – Gráfico de exibição das últimas umidades amostradas.
Para iniciar a amostragem de temperatura e umidade, basta o
usuário ir até a opção “Arquivo” do menu e clicar em “Iniciar Sistema”.
Deste modo o sistema será iniciado, e serão coletados os dados no intervalo
de tempo definido pelo usuário, desde que tenha sido realizado o cadastrado
dos terminais microcontrolados, e definido a porta de comunicação serial.
8.2 Configurando o Sistema
Na primeira vez que iniciado a execução do software pelo
usuário, faz-se necessário a configuração da porta de comunicação serial do
computador. Indo até a opção “Configurar” do menu, e clicando na opção
“Porta de Comunicação” uma tela como apresentada na figura 8.4 será
exibida. Bastando para o usuário definir em qual das COMs, encontra-se
ligado o conversor RS232/RS485.
FIGURA 8.4 – Tela de configuração da porta de comunicação serial.
Depois de definido a porta de comunicação, o usuário deverá
selecionar o intervalo em que se deseja realizar aquisição de dados. Indo em
“Configurar” no menu, e clicando na opção “Intervalos de Amostragem”
uma tela como apresentada na figura 8.5 será exibida. O usuário poderá
optar entre uma das opções disponíveis na tela.
FIGURA 8.5 – Tela de configuração do intervalo de amostragem.
Posteriormente, o usuário poderá modificar o intervalo de
amostragem que foi configurado. Mas para isto, o sistema deverá está
parado, caso contrário o software não permitirá tal modificação.
8.3 Cadastrando Terminais
Cada
terminal
microcontrolado
possui
uma
configuração
própria. Deste modo faz-se necessário a configuração dos terminais a serem
utilizados pelo usuário. Indo à opção “Terminal” do menu, e clicando em
“Editar” uma tela para a edição dos terminais será visualizada, como
mostrado na figura 8.6. Nesta tela há campos a serem preenchidos como
código do terminal, tensão de alimentação, tag de requisição de temperatura,
tag de requisição de umidade, tag de resposta de temperatura, tag de
resposta de umidade e outros dados referentes ao sensor de umidade. Estes
dados acompanham o terminal, sendo localizados na parte inferior do
mesmo, como demonstrado na figura 8.7.
FIGURA 8.6 – Tela de cadastro de terminais.
FIGURA 8.7 – Parte inferior do terminal microcontrolado.
Outra modificação possível de ser realizada pelo usuário é a
mudança do status do terminal, se o mesmo se encontra como “on” (ligado)
ou “off” (desligado) na rede. Assim que cadastrado o terminal, o usuário
necessita modificar este status para “on”, para que o terminal possa inicar
sua operação no sistema. Esta opção se torna interessante, por exemplo, no
caso do terminal vir a danificar após um período de utilização, bastará ao
usuário mudar o status do terminal de “on” para “off”, evitando deste modo
que a comunicação do sistema venha a ser prejudicada.
FIGURA 8.8 – Tela de mudança de status dos terminais.
8.4 Relatórios
Pensando no usuário final, foi disponibilizada a opção de
exportação dos dados armazenados no banco de dados para o software
Microsoft Excel, possibilitando deste modo a manipulação destes dados de
uma forma amigável ao usuário. Para a exportação dos dados, basta o
usuário ir à opção “Exibir” no menu, e clicar na opção “Relatório”, e será
exibida uma tela semelhante à apresentada na figura.
FIGURA 8.9 – Exportação de dados.
O usuário entrará com o intervalo das datas desejadas para a
pesquisa, e ao pressionar o ícone “Exibir”, uma tela como a apresentada
pela figura 8.10 será exibida. Esta tela solicita ao usuário o nome que se
deseja dar ao arquivo para salvá-lo.
FIGURA 8.10 – Salvando o arquivo.
Em seguida, o Microsoft Excel será aberto e os dados serão
transferidos para o mesmo, sendo salvo o arquivo com o nome e a
localização definidos pelo o usuário no passo anterior. Os dados serão
exportados de acordo com a data e hora em que foram realizadas as
amostras (FIG. 8.11).
FIGURA 8.11 – Dados exportados para o Excel.
IX PROPOSTA PARA CONTROLE
O
sistema
de
controle
de
temperatura
e
umidade
por
condicionamento do ar deverá ser desenvolvido com base no princípio do
funcionamento
dos
desumidificadores.
Nas
instalações
usuais,
a
desumidificação está ligada ao processo do resfriamento do ar abaixo do
seu ponto de orvalho, que produz a condensação do vapor d’água contido.
Como
o
ar
extremamente
frio
não
é
desejável,
usa-se
após
a
desumidificação a elevação da temperatura do ar utilizando meios externos
ao sistema (CREDER, 1996, p. 46). Esta elevação da temperatura pode ser
realizada por uma serpentina do tipo água quente ou elétrica (FIG. 9.1). A
principal desvantagem deste sistema está no relativo elevado consumo de
energia, tanto para aquecimento quanto para refrigeração. O elevado
consumo de energia pode ser reduzido pela elevação da temperatura do ar
frio até um valor que permita a desativação de uma das serpentinas de
aquecimento. Outro meio de reduzir o consumo de energia seria realizar o
reaquecimento por meio da recuperação de energia de algum componente
do sistema como, por exemplo, o condensador do ciclo frigorífico ou luzes
(STOECKER e JONES, 1985, p. 105).
FIGURA 9.1 – Resfriamento e desumidificação com reaquecimento.
A
proposta
para
continuação
deste
trabalho
é
o
desenvolvimento de um sistema de controle que possa atuar de maneira
eficaz no controle da temperatura e umidade relativa em ambientes
fechados. Este sistema de controle poderá ser implementado através de um
controle de duas posições (on-off), PI (proporcional e integral), ou até
mesmos através de um controle nebuloso. Como se trata de ambientes
fechados, um controlador de duas posições deverá responder de forma
satisfatória, já que as variações de temperatura e umidades nestes recintos
são lentas.
Como apresentado no capítulo IV, a rede RS485 permite a
implementação de uma arquitetura distribuída, tanto para o monitoramento,
quando para o controle. Uma vez conhecido o funcionamento da rede RS485,
e dos terminais microcontrolados empregados, o desenvolvimento de um
controlador de duas posições (on-off) se torna rápido e de fácil
implementação. A única mudança necessária a ser realizada nos terminais
desenvolvidos para que possam atuar no sistema, é a utilização de uma
saída digital para o envio de sinal a relés, contatores, ou outros dispositivos
que possibilitem o acionamento de sistemas de condicionamento de ar.
O
controle
inicialmente
poderá
ser
realizado
por
um
computador. Este receberá os dados amostrados de temperatura e umidade,
e quando esses valores estiverem fora da faixa de histerese de interesse, ele
enviará
um
sinal
à
rede,
solicitando
a
um
determinado
terminal
microcontrolado o envio de um sinal para o acionamento ou não de um ar
condicionado, umidificador, desumidificador ou resistência. O valor superior
e inferior desta histerese poderão ser fornecidos pelo próprio usuário
através do software de monitoramento e controle. O que possibilita a
utilização do mesmo sistema de controle para diversos ambientes, tais
como:
museus,
bibliotecas
de
obras
raras,
fábrica
de
papeis,
armazenamento, indústria alimentícia, química, farmacêutica e têxtil.
Além disso, os ambientes a serem controlados poderão ser
divididos por áreas. Deste modo, no caso de se ter vários ambientes, por
exemplos salas a serem controladas, tendo-se atuadores dedicados a cada
ambiente, basta ao usuário selecionar os sensores de uma determinada área
e relacioná-los aos terminais responsáveis pelo controle.
Posteriormente poderá ser implementado um controle que
aproveite
as
reais
vantagens
do
controle
distribuído.
Terminais
microcontrolados, com microcontroladores que apresentem um maior
processamento de dados do que os utilizados poderão ser empregados para
o controle de forma descentralizada e independente. Deste modo cada
terminal microcontrolado que trabalhe como um controlador, irá gerenciar as
informações de uma determinada região, solicitando aos sensores ligados a
este os dados relativos à temperatura e umidade, e a partir dos mesmos irá
decidir de quando e como atuar no sistema. Assim, o computador passará a
ser dedicado exclusivamente a um sistema supervisório, que permita ao
usuário acompanhar a eficiência do sistema e mudar parâmetros do
controlador de forma on-line.
A vantagem do controle distribuído em relação ao controle
centralizado, é a segurança e a flexibilidade apresentadas. Em um controle
centralizado, toda a planta de um sistema poderá ser paralisada ao existir
uma falha no computador responsável pelo controle. Já em um controle
distribuído, o computador passa a ser dedicado apenas ao sistema
supervisório, não afetando no sistema no caso de existir uma falha no
computador.
X RESULTADOS
Neste capítulo serão apresentados os dados amostrados em
dois ambientes distintos. Fez-se inicialmente o levantamento da temperatura
e umidade na parte interna e externa de uma residência, e posteriormente o
monitoramento das mesmas variáveis na Biblioteca de Obras Raras da
Escola de Minas – UFOP (Biblioteca Prof. José Pedro Xavier da Veiga).
10.1 Residência
Entre os dias 7 e 8 de Julho de 2005, fez-se o monitoramento da
temperatura e umidade na parte interna e externa de uma residência em
Ouro Preto - MG, localizada no bairro Morro do Cruzeiro. As leituras de
temperatura e umidade forma realizadas no intervalo de uma hora. Verificouse que a temperatura e umidade interna da residência não apresentaram
grandes variações, variando a temperatura de 18 a 23ºC e a umidade relativa
de 65 a 77%. Já a temperatura externa chegou a variar de 12 a 19ºC, e a
umidade relativa de 70 a 90% durante o período de 24 horas. Estes dados
estão apresentados no gráfico 10.1.
Durante este período de amostragem, verificou-se a presença de
neblina e chuva em alguns momentos. O quarto onde foram realizadas as
leituras internas apresenta laje e telhado separados por um sótão. Na figura
10.1 apresenta-se a instalação realizada do terminal para monitoramento de
temperatura e umidade da parte externa da residência, sendo o mesmo
fixado na janela do quarto.
02
:0
0:
01
04
:0
0:
01
06
:0
0:
01
08
:0
0:
01
10
:0
0:
01
12
:0
0:
01
14
:0
0:
01
16
:0
0:
01
18
:0
0:
01
20
:0
0:
01
22
:0
0:
01
00
:0
0:
01
02
:0
0:
01
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Temperatura Interna
Umidade Interna
Temperatura Externa
Umidade Externa
GRÁFICO 10.1 – Dados amostrados entre os dias 7 e 8 de Julho de 2005.
FIGURA 10.1 – Instalação na parte externa da residência.
Entre os dias 9 e 10 de Julho de 2005, fez-se um novo
monitoramento da temperatura e umidade a cada 15 minutos em uma
residência localizada no centro da cidade. O quarto em que foram realizadas
as amostras internas, não apresenta laje, existindo apenas um forro de PVC,
e encontrava-se no sótão. Como conseqüência, observa-se claramente uma
maior variação da temperatura e umidade interna em relação aos dados
coletados da residência que apresentava laje. Observe no gráfico 10.2, em
que em alguns momentos a temperatura e a umidade interna do quarto
chega a igualar com a externa. No período de 24 horas a temperatura interna
variou de 15 a 20ºC e a umidade relativa de 57 a 75%. Enquanto a
temperatura externa apresentou a variação de 10 a 19ºC, e umidade relativa
externa de 51 a 93%.
Temperatura Interna
Umidade Interna
16:45:01
15:30:01
14:15:01
13:00:01
11:45:01
10:30:01
09:15:01
08:00:01
06:45:01
05:30:01
04:15:01
03:00:01
01:45:01
00:30:01
23:15:01
22:00:01
20:45:01
19:30:01
18:15:01
17:00:01
100
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Temperatura Externa
Umidade Externa
GRÁFICO 10.2 - Dados amostrados entre os dias 9 e 10 de Julho de 2005.
10.2 Biblioteca de Obras Raras da Escola de Minas
Durante os dias 20 e 21 de Julho de 2005, fez-se o
monitoramento da temperatura e umidade com o intervalo 15 minutos, na
Biblioteca de Obras Raras da Escola de Minas. A biblioteca apresenta dois
setores distintos, um destinado a obras pré-1900 com controle automático
de temperatura e outro com obras pós-1900. Em ambos ambientes, há o
controle
da
umidade,
mas
não
de
forma
automática,
através
de
desumidificadores. Estes desumidificadores encontram-se ligados na maior
parte do ano, e em épocas de média umidade, eles são desligados pelos
funcionários. Na figura 10.2 encontra-se uma foto do painel do controlador
de temperatura.
FIGURA 10.2 – Foto do painel do controlador de temperatura.
Foram instalados quatro terminais microcontrolados para a
leitura de temperatura e umidade dos dois setores, sendo instalados dois
terminais por área. Na figura 10.3 encontra-se a instalação de um dos
terminais no setor de obras pré-1900, e na figura 10.4 um dos terminais
instalados no setor de obras pós-1900, e na figura 10.5 encontra-se uma foto
do Sistema de Monitoramento de Temperatura e Umidade (SMTU) em
execução em um computador da biblioteca de obras raras.
FIGURA 10.3 – Terminal instalado no setor de obras pré-1900.
FIGURA 10.4 – Terminal instalado no setor de obras pós-1900.
FIGURA 10.5 – SMTU em execução na biblioteca.
No setor de obras pré-1900, o controle existente de temperatura
e umidade relativa, se demonstrou eficiente durante o período em que foram
realizadas as amostras. A temperatura variou entre 21 a 23ºC e umidade
relativa entre 45 a 49%, satisfazendo as condições da NB-10 para museus de
obras raras, que recomenda a manutenção da temperatura na faixa de 21 a
23ºC e a umidade relativa de 40 a 50%. Estes dados estão apresentados no
gráfico 10.3. Deve-se lembrar, que para uma melhor avaliação do controle, as
amostras de temperatura e umidade devem ser realizadas durante um
período mais longo, de preferência que cubra todas as estações do ano.
Já no setor de obras pós-1900, onde não há controle automático
de temperatura, e apresenta um número de desumidificadores reduzido em
relação ao do setor das obras pré-1900, a temperatura de bulbo seco variou
entre 17 a 21ºC e a umidade relativa entre 69 a 71%, conforme apresentado
no gráfico 10.4.
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Temperatura3
Temperatura1
Temperatura4
Temperatura2
Umidade3
Umidade1
Umidade4
GRÁFICO 10.3 - Dados amostrados no setor de obras pré-1900.
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Umidade2
GRÁFICO 10.4 - Dados amostrados no setor de obras pós-1900.
XI CONCLUSÃO
Neste trabalho, foi possível desenvolver um estudo teórico
multidisciplinar com posterior aplicação da prática. Os campos de
instrumentação tais como amostragem analógica, transmissão de dados e
aquisição de sinais, assim como a eletrônica embarcada, redes de
comunicação, programação e controle foram explorados durante o
desenvolvimento deste trabalho.
Obteve-se como resultado desta pesquisa, até a presente data, o
desenvolvimento do sistema de monitoramento de temperatura e umidade
para museus, mais avançado do Brasil. Fazendo com que a Universidade
Federal de Ouro Preto, seja a segunda instituição de ensino superior do país
a desenvolver este trabalho. O sistema de monitoramento desenvolvido
permite trabalhar com distâncias superiores ao existente e apresenta um
volume de ocupação cinco vezes menor. Além disso, trabalha com sensores
que dispensam calibração, o que facilita uma eventual manutenção. Fatores
que viabilizam um futuro desenvolvimento de um produto para posterior
comercialização. Outra área de interesse a ser explorada, é a do controle,
que se encontra escassa de soluções e profissionais qualificados.
O sistema desenvolvido necessita de melhorias. Deve-se
adicionar ao terminal microcontrolado um circuito que o proteja de danos
relacionados à ligação invertida da fonte de alimentação. A tensão de
alimentação colocada na rede deve ser elevada, pois como trabalha com
corrente contínua há queda de tensão de acordo com o comprimento do
cabo utilizado. Deste modo, a atual alimentação de 5Vcc para longas
distâncias se torna inviável, já que os terminais não operam com tensões
inferiores a 4.75Vcc. Colocando-se tensões superiores na rede, como por
exemplo, 12 volts, mesmo existindo queda de tensão, elas poderão chegar
aos terminais com valores viáveis para alimentação, e como deverão ser
superiores, bastará a adição de um diodo zenner ou regulador de tensão
para manter a alimentação dos terminais constante à 5Vcc.
O conversor RS232/RS485 também pode ser melhorado, com a
redução de seu volume e a adição de uma tela de cristal líquido para
visualização dos dados amostrados. Além disso, pode ser adicionado uma
entrada USB além da serial existente.
XII REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BURKE, Robert B.; ADELOYE, Sam. Manual de segurança básica de museus.
Rio de Janeiro: Fundação Nacional de Seguros / Fundação Pró-Memória,
1988, 37 p.
CREDER, Hélio. Instalações de ar condicionado. 5. ed. Rio de Janeiro: LTC –
Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 1996, p. 1-264.
ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning
Engineers. Handbook, fundamentals volumes. Atlanta: S.I. Edition, 1997, p.
37.1-37.12.
STOECKER, Wilbert F; JONES, Jerold W.. Refrigeração e ar condicionado.
São Paulo: McGraw-Hill, 1985, p. 105-180.
DEFELICE, Thomas P. Meteorological Instrumentation and Measurement.
United States of America: Prentice-Hall, 1998, p. 1-20.
PÉREZ, Miguel A. García; ANTÓN, Juan C. Alvarez. Instrumentación
electrónica. Madrid: Thomson, 2004, p. 207-740.
DOEBELIN, Ernest O.. Measurement systems. 4. ed. United States of
America: McGraw-Hill, 1990, 727 p.
Snsormag: http://www.sensorsmag.com/.
National Semiconductors: http://www.national.com/.
Honeywell: http://www.honeywell.com/.
Humirel: http://www.humirel.com/.
Texas Instruments: http://www.ti.com/.
ANEXOS
Abaixo, encontra-se especificado o custo total do
desenvolvimento do sistema de monitoramento de temperatura e umidade.
VALOR (R$)
ESPECIFICAÇÃO
Unid.
Quant.
Unitário
Total
Sensor de Umidade HIH3610-003
Um.
04
129,93
519,72
Sensor de Temperatura LM35DZ
Um.
04
5,25
21,00
Transceptor SN75LBC176
Un.
04
5,25
21,00
Gravador de PIC McPlus
Un.
01
159,00
159,00
PIC12F675
Un.
13
6,51
84,63
PIC16F873
Un.
03
22,68
68,04
LED 3 mm
Un.
30
0,26
7,80
Resistores de Carvão 1/8W
Un.
60
0,05
3,00
Capacitores
Un.
30
0,13
3,90
Jack J-4
Un.
8
0,78
6,24
Caixa Plástica
Un.
8
1,14
9,12
Conector DB9
Un.
4
1,06
4,24
Conector Parafusável
Un.
10
1,06
10,60
Soquete
Un.
16
0,30
4,08
Caixa de Ferro
Un.
3
24,50
73,50
Fonte de Computador
Un.
1
40,00
40,00
Placa Fenolite
Un.
3
5,80
17,40
Percloreto
Un.
1
9,48
9,48
Spray Verniz
Un.
1
22,82
22,82
Cabo Manga
M.
4
1,45
5,80
L.
70
2,40
168,00
Combustível para 4 viagens Ouro Preto – Belo
Horizonte – Ouro Preto
Total
1274,05