Curso de Engenharia de Computação
SISTEMA AUTOMÁTICO PARA CONTROLE DE
TEMPERATURA EM LENÇOL TÉRMICO
Waldo Abrahão Flores
Itatiba – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2009
Curso de Engenharia de Computação
SISTEMA AUTOMÁTICO PARA CONTROLE DE
TEMPERATURA EM LENÇOL TÉRMICO
Waldo Abrahão Flores
Monografia apresentada à disciplina Trabalho de
Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de
Computação da Universidade São Francisco, sob a
orientação do Prof. Ms. Antonio de Assis Bento
Ribeiro, como exigência parcial para conclusão do
curso de graduação.
Orientador: Prof. Ms Antonio de Assis Bento Ribeiro
Itatiba – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2009
ii
Sistema automático para controle de temperatura em lençol térmico
Waldo Abrahão Flores
Monografia defendida e aprovada em 10 de Dezembro pela Banca
Examinadora assim constituída:
Prof. Ms. Antonio de Assis Bento Ribeiro (Orientador).
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Ms. Carlos Eduardo Pagani (Membro interno).
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
Prof. Ms. Raimundo Claudio da Silva Vasconcelos (Membro interno).
USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.
O registro de arguição e defesa consta de “ATA DE ARGUIÇÃO FINAL DE
MONOGRAFIA”, devidamente assinada e arquivada na Coordenação do curso.
iii
As pessoas que acreditaram no meu potencial e me
apoiaram em todos os momentos. Principalmente, a
aqueles amigos que fazem diferença na minha vida
e cobram para que eu evolua cada vez mais em
todos os sentidos.
iv
Suba o primeiro degrau com fé. Não é necessário
que você veja toda a escada. Apenas dê o primeiro
passo.
(Martin Luther King)
v
AGRADECIMENTOS
A realização deste trabalho de conclusão de curso só foi possível pela
colaboração de inúmeras pessoas. A todos manifesto minha gratidão. E de modo
particular:
- Ao meu orientador Antonio de Assis Bento Ribeiro, pelo auxílio que me foi
dado no desenvolvimento do projeto e ao longo do curso;
- À minha namorada Gabriela Veiga da Silva que sempre que necessário e
solicitada me incentivou;
- Ao meu amigo Felipe Cavalaro, que me ajudou com materiais e indicações
sobre estudos sobre eletrônica;
- A todos do Laboratório de Eletrônica da Universidade São Francisco que
contribuíram imensamente com o desenvolvimento deste projeto fornecendo todo o
material necessário;
- A toda a minha família que sempre acreditou no meu potencial;
- A todos aqueles que estiveram presentes direta ou indiretamente no
percurso deste trabalho.
vi
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO................................................................................................... 01
2. OBJETIVOS....................................................................................................... 03
3.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................
04
4. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................
12
5. PROJETO..........................................................................................................
13
5.1 Descrição do Hardware...................................................................................
13
5.1.1 Microcontrolador 8051..............................................................................
13
5.1.2 Conversor Analógico/Digital (ADC ).......................................................... 15
5.1.3 Sensor NTC..............................................................................................
16
5.1.4 Controle....................................................................................................
20
5.1.5 Lençol Térmico.........................................................................................
21
5.1.6 Esquema Geral.........................................................................................
22
5.1.7 Protótipo da placa.....................................................................................
23
5.2 Software........................................................................................................... 24
5.2.1 Fluxograma do Programa.........................................................................
24
5.2.2 Software de teste......................................................................................
25
5.2.3 Software completo....................................................................................
25
6. CONCLUSÃO....................................................................................................
28
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................
29
8. REFERÊNCIAS CONSULTADAS.....................................................................
30
9. APÊNDICE......................................................................................................... 31
vii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Sensor RTD............................................................................................
04
Figura 2: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) do sensor RTD............. 05
Figura 3: Termistores PTC e NTC.........................................................................
07
Figura 4: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) dos sensores PTC e
NTC.......................................................................................................................
07
Figura 5: Termopar................................................................................................
09
Figura 6: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) dos diversos tipo de
termopares. ........................................................................................................... 10
Figura 7: Diagrama de bloco do projeto................................................................. 13
Figura 8: Pinagem do 8051.................................................................................... 14
Figura 9: Ordem dos números de pinagem do LM474CN.....................................
16
Figura 10: Esquema do circuito.............................................................................
16
Figura 11: Imagem do circuito montado................................................................
17
Figura 12: Diagrama do teste de linearidade do sensor NTC................................ 17
Figura 13: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°C) do termistor 1..................... 18
Figura 14: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) do termistor 2.....................
19
Figura 15: Esquema do relé usado no projeto....................................................... 20
Figura 16: Foto de um Lençol térmico...................................................................
21
Figura 17: Esquemático da Placa..........................................................................
22
Figura 18: Protótipo da placa................................................................................. 23
Figura 19: Fluxograma do programa do microcontrolador..................................... 24
viii
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Tipos, metais usados e faixa de temperatura dos termopares..............
09
Tabela 2: Tipo do sensor, faixa de temperatura e precisão................................... 11
Tabela 3: Temperatura e tensão do Termistor 1...................................................
18
Tabela 4: Temperatura e tensão do Termistor 2...................................................
19
ix
FLORES, Waldo A. Sistema Automático para controle de temperatura em lençol
térmico. 2009. 31f. Monografia (Bacharelado em Engenharia da Computação) –
Curso de Engenharia da Computação da Universidade São Francisco, Câmpus de
Itatiba.
RESUMO
O calor é utilizado no tratamento de diversos tipos de problemas e como os lençóis
térmicos produzem calor, podem ser utilizados em muitos tratamentos, sejam na
coluna vertebral, joelho, ombro e outras regiões. Este aparelho é uma espécie de
manta com vários resistores elétricos que, quando ligados a rede elétrica, dispersa
calor através do efeito Joule aumentando deste modo a sua temperatura. Em alguns
casos existem pacientes que possuem dificuldade de locomoção, fazendo surgir
lesões corporais devido a sua pele constantemente estar em contato com o colchão,
com a utilização do lençol térmico essas lesões diminuem. Porém, a um
determinado período de tempo é necessário que uma pessoa verifique a
temperatura do lençol para que o mesmo esteja na temperatura desejada. O objetivo
deste trabalho é desenvolver um dispositivo que será adaptado junto ao lençol
térmico para controlar a temperatura do lençol, utilizando sensores e um
microcontrolador da família 8051, eliminando a leitura manual como é feita nos dias
de hoje.
PALAVRAS-CHAVE: calor, lençol térmico, dispositivo
x
ABSTRACT
Heat is used in the treatment of various types of problems and as thermal blankets
produces heat, can be used in many treatments, in vertebral column, knee, shoulder,
and other regions. This apparatus is a sort of blanket with several electrical resistors
that, when connected to an electrical outlet produces heat by means of the Joule
effect increasing temperature in this manner. In some cases, there are patients that
have difficulty in movement, making them suffer body injuries due to their skin in
constant contact with the mattress, with the use of the thermal blanket these injuries
are reduced. However, after some time of use, it is necessary that a person verifies
the blanket temperature to assure that the desired temperature is attained. The
purpose of this work is to develop a device that can be adapted to the thermal
blanket to control temperature, using sensors and a microcontroller of the 8051
family, eliminating the manual reading as is being done nowadays.
KEY-WORDS: heat, thermal blanket, device
1
1. INTRODUÇÃO
Em pacientes acamados por longo período de tempo e impossibilitados de
realizar movimentos, apresentam um quadro de compressão, e conseqüente
destruição tecidual. As lesões mais comuns que acometem a pele são as úlceras de
pressão ou “escaras”, levando à sua destruição parcial ou total.
As “escaras” são lesões na pele que surgem devido à falta de irrigação
sanguínea adequada à agressão à pele que recobre a região óssea nas zonas em
que foi comprimida, friccionada ou arrastada contra uma cama, uma cadeira de
rodas, uma tala ou outra estrutura rígida durante um período prolongado.
Esses tipos de lesões, mais comuns em pacientes acamados, representam
grande ameaça ao indivíduo, pois, além de causar desconforto, geram uma série de
distúrbios no organismo, como a perda significativa de proteínas orgânicas, fluídos e
eletrólitos. Isso pode levar a um quadro de debilidade progressiva com conseqüente
baixa na resistência imunológica, o que pode possibilitar a entrada de
microorganismos nocivos.
A prevenção é a melhor forma de evitar o surgimento desse tipo de lesão, uma
maneira de se prevenir é com o uso de calor.
Vários estudos sobre os efeitos do calor aplicado por fisioterapeutas aos
pacientes mostraram que o calor é um excelente meio analgésico para dor de
origem não inflamatória, pois faz com que aumente o fluxo sangüíneo no corpo. O
calor é utilizado no tratamento de diversos tipos de problemas, os lençóis térmicos
produzem calor, logo muitos tratamentos podem se utilizar das suas vantagens
sejam na coluna vertebral, joelho, ombro e outras regiões (MOURA, 2005).
O lençol térmico é uma espécie de manta com vários resistores elétricos, que
quando ligados a rede elétrica, dispersa calor através do efeito Joule aumentando,
deste modo, a temperatura. Porém quando utilizado na prevenção desse tipo de
problema, encontra-se uma desvantagem, pois a um determinado período de tempo
é necessário que uma pessoa verifique a temperatura do lençol para que o mesmo
esteja na temperatura desejada (em torno de 37°C).
Afim de solucionar o problema, será proposto a automatização deste lençol,
desenvolvendo um dispositivo para controlar a temperatura utilizando sensores do
tipo NTC (Negative Temperature Coeficent) e um microcontrolador da família do
2
8051. O aparelho irá estabilizar a temperatura num valor pré-definido, mantendo o
lençol aquecido, enquanto estiver ligado à rede elétrica.
3
2. OBJETIVOS
O objetivo deste trabalho é desenvolver um dispositivo que será adaptado
junto ao lençol térmico para controlar a temperatura do lençol, utilizando sensores do
tipo NTC (Negative Temperature Coeficent) e um microcontrolador da família 8051,
eliminando a leitura manual como é feita nos dias de hoje. O aparelho irá estabilizar
a temperatura num valor pré-definido, mantendo o lençol aquecido, enquanto estiver
ligado a rede elétrica.
4
3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
A importância da medida de temperatura neste projeto consiste em obter a
temperatura, para realizar o controle da intensidade do calor do lençol através do
dispositivo a ser criado. Para se escolher um sensor de temperatura existem
diversos fatores que devem ser levados em conta, pois qualquer variação na
temperatura de um corpo faz com que, o mesmo, sofra modificações, como por
exemplo, variação de dimensões do material, mudança na resistência elétrica, uma
fem (força eletromotriz) termoelétrica para a união de dois metais diferentes ou uma
variação na intensidade e cor da radiação emitida pelo corpo quente.
Dentre os vários sensores de temperatura estão os chamados sensores
resistivos, cujo princípio de funcionamento é baseado na variação de resistência de
condutores elétricos com a temperatura, para qualquer material condutor pode-se
relacionar a resistência em função de suas dimensões físicas e de sua resistividade.
A base física que relaciona a resistência com a variação de temperatura é a
resistividade do material, ρ . A resistência de um condutor de comprimento L, e área
transversal A, é dada na equação (1) por (WERNECK, 1996):
R=ρ
L
A
(1)
Alguns sensores podem apresentar coeficientes de temperatura (TC), positivos
(PTC) ou negativos (NPC). Os sensores resistivos mais comuns são denominados
RTD (Resistive Temperature Detectors) e o termistor.
O RTD (Resistive Temperature Detectors) ou detectores resistivos de
temperatura são construídos através de um fio de metal envolvendo uma estrutura
isolada, que elimina o efeito do stress mecânico. O stress mecânico muda a
resistência do condutor, e portanto altera a resistência, e deve ser eliminado para
uma medição mais precisa. Garantir a mínima influencia do stress mecânico na
variação da resistência do RTD é a condição básica para construir sensores
precisos utilizando um metal (BECKWITH,1993). A figura 1 apresenta um sensor do
tipo RTD encontrado no mercado.
Figura 1: Sensor RTD
5
A relação entre a resistência do metal e a temperatura, mostrada na figura 2, é
expressa na equação (2), através de uma aproximação polinomial:
[
]
R = R0 1 + α (T − T0 ) + β (T − T0 ) + ...
2
(2)
Onde:
R0 = resistência de referencia medida na temperatura T0 ;
α , β ,... = parâmetros do material (WERNECK, 1996).
Figura 2: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) do sensor RTD (fonte: BRAGA,
Newton C.).
Para pequenas variações na temperatura pode-se aproximar a expressão
acima, como mostra a equação (3):
R = R0 [1 + α (T − T0 )]
(3)
Onde:
α
=
coeficiente
de
temperatura
da
resistência
do
material
(BALBINOT,2007).
A platina, por exemplo exibe uma linearidade com precisão de +/- 0,3% sobre a
faixa de 0-200 °C, e +/- 1.2% na faixa de 200-800 °C.
A sensibilidade pode ser determinada pela equação (4), por:
6
K=
dR
= R 0α
dT
(4)
Ou seja, quanto maior o coeficiente de temperatura, α , e/ou maior a
resistência R0 , maior a sensibilidade. Uma definição muito utilizada é a do
coeficiente de temperatura, conforme a expressão (5) abaixo (WERNECK, 1996):
α=
1 dR
K
=
R0 R0 dT
(5)
O material mais comum utilizado no RTD é a platina, que proporciona uma
medição de temperatura com grande precisão. O motivo de tal escolha recaía pela
extensa faixa de linearidade e também pela alta estabilidade.
Apesar da boa linearidade dos sensores de tipo RTD, os mesmos possuem
uma limitação prática. Normalmente os RTDs possuem constante de tempo elevada,
comparada com outros sensores de temperatura, dessa forma limitando a aplicação
em sistemas cujos variam muito rápido no tempo (BALBINOT,2007).
Logo, pode-se afirmar que os RTDs, sensores do tipo PTC na maioria das
vezes confeccionados de platina, possuem vantagens, como, a linearidade e a
repetibilidade de valores, tem uma faixa de temperatura de -200º C a 850º C, com
precisão de +/- 0,01º C, um sinal de saída que consiste numa resistência.
Normalmente são usados na compensação de junções frias, na medida de
temperatura em pontes e processos de calibração e controle.
Os termistores são resistores sensíveis a temperatura, mostrados na figura 3.
Em geral são construídos de materiais cerâmicos a base de semicondutores,
diferente dos RTDs, esses sensores tipicamente diminuem a resistência quando a
temperatura aumenta (NTC), mas também podem aumentar a resistência com a
temperatura (PTC).
7
Figura 3: Termistores PTC e NTC (fonte: SOARES, Márcio J.).
A expressão (6) relaciona a variação da resistência em função da temperatura
e também exemplificado no gráfico da figura 4:
RT = R0 e β (1/ T −1/ T0 )
(6)
Onde:
β varia 3500 a 4600K (BECKWITH,1993).
Figura 4: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) dos sensores PTC e NTC (fonte:
SOUZA, Gustavo R.).
A expressão (7) é da sensibilidade e é dada por:
dRT − R0 βe β (1 / T −1 / T0 ) − βRT
K=
=
=
dT
T2
T2
(7)
E define-se na expressão (8) o coeficiente da temperatura (BALBINOT,2007):
α=
K
−β
= 2
RT
T
(8)
8
Uma importante característica deste sensor é o baixo valor da constante de
tempo permitindo que este sensor seja utilizado em sistemas onde a freqüência do
sinal de entrada varie mais rapidamente (BECKWITH,1993).
A falta de linearidade de termistor pode ser reduzida colocando-se um resistor
em paralelo. O resistor tem a função de reduzir a falta de linearidade.
O resistor paralelo pode ser calculado pela equação (9), como sendo :
RX =
R P RT
R P + RT
(9)
No entanto, uma maior linearidade acarreta uma menor sensibilidade, pois esta
última depende do valor da resistência de forma proporcional. A sensibilidade para a
associação dos resistores pode ser definida na expressão (10), como sendo
(BALBINOT,2007):
α=
dR X / dT
RX
(10)
Logo, pode-se afirmar que o termistor é um dispositivo a qual possui resistência
variável com a temperatura do seu material, essa variação pode ser de causa
externa (aumento da temperatura ambiente) ou interna (o calor à sua própria
dissipação térmica), a maior parte desses sensores é do tipo NTC (WERNECK,
1996). As vantagens deste dispositivo são principalmente para medidas qualitativas
ou para controle, tem uma faixa de temperatura de -100 a +450º C, precisão de +/0,1ºC, um sinal de saída que consiste numa resistência. Normalmente usados na
compensação de junções frias, pontes de medida, calibração de pirômetros,
anemômetros, medidores de fluidos, medidores de nível de líquidos e condutividade
térmica.
Em contrapartida existe o par termoelétrico ou termopar, mostrado na figura 5,
o mais comum método de medida e controle de temperatura que utiliza um circuito
elétrico, o qual consiste de dois condutores elétricos feito de metais diferentes tendo
uma conexão elétrica. A saída de um termopar é uma tensão, existe uma relação
entre a voltagem e a diferença de temperatura submetida pela junção. Caso se
possua duas junções denominadas de T1 e T2 e suas temperaturas forem diferentes
então pode-se medir uma tensão entre os terminais. A magnitude da tensão medida
depende das temperaturas e em particular dos metais utilizados.
9
Figura 5: Termopar.
Na tabela 1, temos diversos tipos de termopares de acordo com os materiais
usados e sua faixa de temperatura. De acordo com o material que o termopar é
produzido, possui uma característica de tensão, como mostra a figura 6. As
diferenças de características obtidas para os vários tipos vão determinar suas
aplicações.
TIPO
METAIS USADOS
FAIXA DE TEMPERATURA
(°C)
E
Chromel, Constantan
-200 a 900
J
Iron, Constantan
K
Copper, Constantan
N
Nicrosil, Nisil
0 a 1260
S
Platinum (10% Rhodium), Platinum
0 a 1480
B
Platinum (30% Rhodium), Platinum (6% Rhodium)
0 a 1820
R
Platinum (13% Rhodium), Platinum
0 a 1480
0 a 760
-200 a 371
Tabela 1: Tipos, metais usados e faixa de temperatura dos termopares.
A tensão na saída pode ser calculado na expressão (11), como sendo:
(
V = α (T1 − T2 ) + γ T12 − T22
)
(11)
Que normalmente é aproximada na equação (12), para:
V = α (T1 − T2 )
(12)
Onde:
α = coeficiente de Seebeck, ou sensibilidade térmica, que depende do
termopar (BECKWITH, 1993).
10
Figura 6: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) dos diversos tipo de termopares (fonte: BRAGA,
Newton C.).
O fenômeno termoelétrico resulta do fluxo de calor e de eletricidade nos
condutores elétricos. Ambos os fenômenos são devidos aos elétrons livres nos
metais, um bom condutor elétrico também é um bom condutor térmico. Existem dois
efeitos envolvidos no termopar:
a) efeito Seebeck: refere-se a geração de um potencial elétrico de um circuito
termopar em aberto, devido a diferença de temperatura. Esta tensão é medida
quando não há corrente circulando. O coeficiente de Seebeck é definido na
expressão (13):
 ∂V 
α = 
 ∂T  circuitoaberto
(13)
b) efeito de Peltier: neste caso uma tensão externa irá produzir uma corrente
fazendo com que um lado do termopar se aqueça e outro se esfrie. A diferença
de temperatura dependerá dos materiais envolvidos.
Os termopares possuem leis fundamentais, são elas:
a) Lei do material homogêneo: esta lei determina que um material
homogêneo não pode ser utilizado para criar um circuito com termopar, ou
seja, o termopar é constituído de no mínimo dois materiais diferentes.
11
b) Lei de materiais intermediários: a soma algébrica das forças
termoelétricas num circuito composto por diferentes metais é igual a zero,
se em todo o circuito a temperatura for constante.
c) Lei da temperatura intermediária: se dois materiais diferentes produzem
uma tensão V1 quando as junções estão submetidas as temperaturas T1 e
T2, e produzem uma tensão V2 quando submetidas as temperaturas T2 e
T3, então quando submetidas as temperaturas T1 e T3 a diferença de
potencial será V1+V2 (BALBINOT,2007).
Logo pode-se afirmar que os termopares são dois metais diferentes em contato
elétrico, existirá certa diferença de potencial entre os metais, que é a função da
temperatura, este fenômeno recebe o nome de efeito termoelétrico e é usado para
medir temperaturas em um range muito grande (WERNECK, 1996). A vantagem
deste dispositivo é a facilidade de medir a temperatura bastando medir a tensão do
termopar e procurar na tabela fornecida pelo fabricante a respectiva temperatura, o
termopar tem uma faixa típica de temperatura de -270º C a 1800º C, precisão típica
de +/- 0,5°C, tensão como sinal de saída. Normalmente são usados no
sensoriamento de temperaturas muito altas, pois diferentes dos outros tipos são os
que podem suportar os valores mais altos. Como por exemplo, o controle de
temperatura de fornos, motores de combustão, etc.
Uma breve comparação dos sensores pesquisados é apresentado na tabela 2
a seguir:
TIPO DE SENSOR
FAIXA DE TEMPERATURA
PRECISÃO
RTD
-200º C a 850º C
+/- 0,01º C
Termistores
-100°C a 450º C
+/- 0,1º C
Termopar
-270º C a 1800º C
+/- 0,5°C
Tabela 2: tipo do sensor, faixa de temperatura e precisão.
Portanto neste projeto será utilizado os sensores do tipo NTC, pois não
pretende-se controlar temperaturas muito altas e nem muito baixas, a temperatura
que se deseja controlar não irá ultrapassar os 40°C, tendo início na temperatura
ambiente. Outro fator importante é que este tipo de sensor é fácil de ser encontrado
no mercado e apresenta baixo custo.
12
4. MATERIAIS E MÉTODOS
A fim de controlar a temperatura do lençol térmico foi criado um dispositivo
utilizando como componentes básicos, sensores do tipo NTC, conversor
Analógico/Digital e um microcontrolador da família 8051.
A relação de materiais junto com suas utilidades na placa, segue abaixo:
•
1 Microcontrolador Atmel AT89C52 com 8Kb de Memória usado para
capturar os dados do conversor ADC e controle da temperatura do
lençol.
•
2 Amplificadores Operacionais LM324N para amplificar a entrada dos
sensores.
•
1 Temporizador LM555CH para criar o clock para o ADC0808.
•
1 Conversor Analógico/Digital ADC0808 para converter o sinal analógico
dos sensores em digitais;
•
2 Capacitores 33pF utilizado para fazer o clock do microcontrolador;
•
4 Capacitores de 47uF utilizado na entrada de cada canal.
•
1 Capacitor de 10uF utilizado no reset do microcontrolador;
•
1 Capacitor de 10uF utilizado no clock do ADC0808;
•
1 Capacitor de 1uF utilizado no clock do ADC0808;
•
1 Resistência de 10K ohms utilizada no reset do microcontrolador;
•
4 Resistências de 470 ohms na entrada de cada canal;
•
2 Resistências de 8K ohm no Vref;
•
1 Resistência de 100 ohm utilizada no clock do ADC0808;
•
1 Resistência de 680 ohm utilizada no clock do ADC0808;
•
1 Resistência de 10K ohms utilizada no controle liga/desliga do lençol
térmico;
•
1 Transistor BD 135 utilizado no controle liga/desliga do lençol térmico;
•
1 relé com uma bobina de 12v utilizado no controle liga/desliga do lençol
térmico;
•
1 Cristal gerador de clock 11.0592Mhz utilizado para fazer o clock do
microcontrolador;
•
4 resistências de 1K ohms no sensor do tipo NTC;
• 4 sensores do tipo NTC para realizar a leitura da temperatura.
13
5. PROJETO
5.1 Descrição do Hardware
A placa contém um microcontrolador 8051 (MC 8051), 4 termistores do tipo
NTC, conversor Analógico/digital (ADC) e componentes eletrônicos para o seu
funcionamento e exercer o controle da temperatura do lençol térmico.
No projeto existem quatro sensores do tipo NTC colocados em lugares
estratégicos do lençol, esses sensores fazem a leitura da temperatura e enviam
esses dados para um conversor Analógico/Digital.
Após a conversão do sinal analógico para digital, os dados são transmitidos ao
microcontrolador 8051 que depois da captura desses dados, faz a interpretação
através de um software desenvolvido em Assembly, que está gravado na memória
do microcontrolador deixando o lençol produzir calor ou desliga-o fazendo com que a
temperatura diminua, deste modo controlando a temperatura do lençol, a figura 7
exemplifica o projeto em um diagrama de bloco.
Figura 7: Diagrama de bloco do projeto.
5.1.1 Microcontrolador 8051
O microcontrolador é um componente eletrônico que já tem incorporado em
seu invólucro vários blocos, por exemplo, memória de programa, memória de dados,
conversor analógico-digital, porta serial. As principais características deste
componente são: CPU otimizada de 8 Bits, espaço de endereçamento de 64K bytes
de memória de programa, espaço de endereçamento de 64K bytes de memória de
dados, 128 bytes de RAM interna, 32 linhas de entrada./saída bidirecionais e
14
individualmente endereçadas, 2 contadores/Temporizadores de 16 bits, uma porta
serial do tipo USART, oscilador interno e 5 níveis de interrupção.
A pinagem do 8051 é mostrada na Figura 8, com uma breve descrição do
pinos:
Figura 8: Pinagem do 8051.
P0.1-P0.7 ( Porta P0) – Porta bidirecional com pinos individualmente
endereçáveis.No acesso a memória externa fornece os endereços da parte menos
significativa e dos dados, portanto esta porta é multiplexada;
P1.0-P1.7 ( Porta P1) – Porta bidirecional com pinos individualmente
endereçáveis.
P2.0-P2.7 (Porta P2) – Porta bidirecional com pinos individualmente
endereçáveis. No acesso a memória externa fornece os endereços da parte mais
significativa.
P3.0-P3.7(
Porta
P3) - Porta bidirecional com pinos individualmente
endereçáveis. Porta de uso múltiplo, conforme a descrição abaixo:
P3.0 ( RxD ) – receptor da porta serial;
P3.1 ( TxD ) – transmissor da porta serial;
P3.2 ( INT0 ) - entrada da interrupção externa 0;
P3.3 ( INT1 ) - entrada da interrupção externa 1;
P3.4 ( T0 ) – entrada do timer 0;
P3.5 ( T1 ) – entrad do timer 1;
15
P3.6 ( WR ) – sinal de escrita na memória de dados externa;
P3.7 ( RD ) – sinal de leitura na memória de dados externa;
RESET – entrada do sinal elétrico para inicializar o microcontrolador;
X1 e X2 – entrada do sinal de clock;
PSEN - sinal de saída que indica o acesso a memória de programa externa;
ALE – sinal de saída utilizado para separar os endereços menos significativos
dos dados;
EA - entrada que indica o local do acesso a memória de programa :
0 – memória externa;
1- memória interna;
Este componente tem o papel no projeto de coletar os dados do conversor
analógico/digital (ADC0808), interpretar os dados através do software gravado em
sua memória realizando o controle de temperatura do lençol.
5.1.2 Conversor Analógico/Digital (ADC )
O conversor A/D (ADC0808) é um circuito integrado fabricado pela National
Conductors, com características como: 8 portas de sinal, seleção da entrada a ser
convertida via endereços, definição de referência negativa, definição de referência
positiva e sinais de comunicação com microcontroladores.
Para trabalhar um sinal analógico neste projeto é necessário que haja um
processo de conversão dos dados onde o sinal é coletado e comparado com um
valor binário, permitindo desta forma a interpretação do sinal pelo microcontrolador.
Como o conversor Analógico/Digital (ADC 0808) exige um clock para
funcionamento, logo criou-se um oscilador de 500 Khz, com os seguintes
componentes: um temporizador (LM555), uma resistência de 680 ohms, uma
resistência de 100 ohm, um capacitor de 1uF e um capacitor de 10 nF.
Este circuito tem o papel de receber os sinais dos sensores, converte-los em
valores binários e enviá-los ao microcontrolador 8051.
16
5.1.3 Sensor NTC
A fim de verificar a linearidade do sensor NTC montou-se um circuito, contendo
como base 2 termistores do tipo NTC, onde foram realizados os testes pra
verificação de temperatura, utilizando os seguintes componentes:
•
2 termistores do tipo NTC(1K Ohms / 25 °C);
•
1 fonte de energia (5 Volts);
•
1 cuba térmica;
•
1 multímetro com termômetro;
•
1 multímetro comum;
•
1 circuito integrado LM474C;
•
1 resistência (1.2 Ohms).
Primeiramente foi montado o circuito utilizando o circuito integrado LM474CN, a
resistência (1.2K Ohms), os 2 termistores e a fonte de energia, a pinagem do
LM474CN é apresentado na figura 9:
Figura 9: Ordem dos números de pinagem do LM474CN
Com essas informações foi possível montar o circuito, como mostra a figura 10:
Figura 10: Esquema do circuito.
17
A figura 11 mostra uma foto do circuito montado, para a verificação da tensão
dos sensores do tipo NTC.
Figura 11: Imagem do circuito montado.
Com o auxilio de um multímetro com termômetro e um multímetro comum,
mediu-se tanto a temperatura quanto a voltagem que o termistores do tipo NTC
apresentavam, enquanto a cuba térmica era aquecida, a temperatura nesta cuba
possui um range entre 30°C à 60°C, como mostra a figura 12, abaixo:
Figura 12: Diagrama do teste de linearidade do sensor NTC.
18
Os resultados obtidos do Termistor 1, são mostrados na tabela 3:
TERMISTOR 1
temperatura
(°C)
voltagem
31
2,41
32
2,37
33
2,33
34
2,30
35
2,23
36
2,19
37
2,15
38
2,08
39
2,04
40
2,01
TERMISTOR 1
temperatura
(°C)
voltagem
41
1,96
42
1,92
43
1,88
44
1,83
45
1,79
46
1,76
47
1,71
48
1,67
49
1,63
50
1,60
TERMISTOR 1
temperatura
(°C)
voltagem
51
1,56
52
1,52
53
1,48
54
1,45
55
1,41
56
1,37
57
1,35
58
1,31
59
1,28
60
1,25
Tabela 3: Temperatura e tensão do Termistor 1.
Com a ajuda do software Origin 7.0, que é um software utilizado para análise de
dados, gráficos técnicos e sistema de aquisição de dados, é possível desenhar um
gráfico com os dados obtidos em laboratório do Termistor 1.
2,6
B
Linear Fit of Data1_B
2,4
2,2
Vo(V)
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
30
35
40
45
50
55
T(Celsius)
Figura 13: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°C) do termistor 1.
A equação da reta pode ser calculada através da equação (14):
V = 3,64321 - 0,04063T ou (V = A – B .T)
(14)
60
19
onde T = temperatura;
V = tensão;
Os resultados obtidos do Termistor 2, são mostrados na tabela 4:
TERMISTOR 2
temperatura
(°C)
voltagem
31
2,36
32
2,32
33
2,29
34
2,25
35
2,19
36
2,14
37
2,11
38
2,06
39
2,02
40
1,96
TERMISTOR 2
temperatura
(°C)
voltagem
41
1,94
42
1,90
43
1,85
44
1,80
45
1,77
46
1,73
47
1,69
48
1,63
49
1,59
50
1,57
TERMISTOR 2
temperatura
(°C)
voltagem
51
1,52
52
1,47
53
1,44
54
1,41
55
1,36
56
1,34
57
1,31
58
1,29
59
1,26
60
1,23
Tabela 4: Temperatura e tensão do Termistor 2.
Com a ajuda do software Origin 7.0 é possível desenhar um gráfico com os
dados obtidos em laboratório do Termistor 2.
2,6
2,4
B
Linear Fit of DATA2_B
2,2
Vo(V)
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
30
35
40
45
50
55
T(Celsius)
Figura 14: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) do termistor 2.
60
20
A equação da reta pode ser calculada através da equação (15):
V = 3,61343 - 0,04069T ou (V = A – B .T)
(15)
onde T = temperatura;
V = tensão;
Segundo os testes realizados com os 2 termistores, não será necessário o
emprego de uma fórmula de linearização, pois a curva apresentada nos gráficos
obtidos com os dados coletados em laboratório, apresentaram uma proximidade
muito grande em relação a linha a qual é dada como linha linear dos dados (Linear
Fit).
5.1.4 Controle
O controle da temperatura do lençol foi feito através de um sistema “on-off” por
meio de um relé (figura 15) o qual liga ou desliga o lençol térmico, dependendo do
comando enviado pelo microcontrolador 8051 por meio da porta P2.0.
Figura 15: Esquema do relé usado no projeto.
21
5.1.5 Lençol Térmico
O lençol térmico (figura 16) é um tipo de lençol contendo resistores elétricos
que quando ligado produz calor através do efeito Joule, desta forma é capaz de
elevar a temperatura.
Figura 16: Foto de um Lençol térmico (fonte: Kenko Patto).
22
5.1.6 Esquema Geral
O esquema Geral da placa mostrado na figura 17, foi montado utilizando o
software Eagle, que é um programa para desenho de circuitos eletrônicos.
Figura 17: Esquemático da Placa.
23
5.1.7 Protótipo da placa
O protótipo da placa mostrado na figura 18, foi montado utilizando wire-up, que
é um método de ligação eletrônica por meio de fios.
Figura 18: Protótipo da placa.
24
5.2
Software
5.2.1 Fluxograma do Programa
A figura 19 exemplifica a lógica utilizada no programa desenvolvido em
Assembly e gravado no microcontrolador, para realizar a leitura dos sensores e a
maneira usada para controlar a temperatura da manta térmica.
INÍCIO
LIMITE SUPERIOR <= 40
CONFIGURA ADC
LÊ TEMPERATURA DO
SENSOR 1 (S1)
LÊ TEMPERATURA DO
SENSOR 2 (S2)
LÊ TEMPERATURA DO
SENSOR 3 (S3)
LIGA LENÇOL
TÉRMICO
LÊ TEMPERATURA DO
SENSOR 4 (S4)
CALCULA MÉDIA
MEDIA =(S1+S2+S3+S4)/4
NÃO
SIM
MEDIA > LIMITE
SUPERIOR?
NÃO
LENÇOL
LIGADO?
SIM
DESLIGA LENÇOL
TÉRMICO
SIM
NÃO
MEDIA > LIMITE
SUPERIOR?
Figura 19: Fluxograma do programa do microcontrolador.
25
5.2.2 Software de teste
Com ajuda do compilador AVMAC51 para MS-DOS, versão 1.12 de 1986, da
empresa Avocet System Inc., foi criado um programa em Assembly, mostrado no
Apêndice, somente para efetuar os primeiros testes com o microcontrolador 8051,
onde o mesmo gera uma onda quadrada no Pino 1.0.
5.2.3 Software completo
O Software desenvolvido em Assembly chamado de “LEITURA” segue no
Apêndice, este programa realiza o controle de temperatura, o qual está gravado na
memória do microcontrolador.
26
6. CONCLUSÃO
O desenvolvimento deste projeto teve como referência à necessidade de se
controlar, de forma automatizada, a temperatura em um lençol térmico. No decorrer
deste trabalho foi possível efetuar este controle, utilizando componentes de baixo
custo, disponíveis no mercado brasileiro.
A utilização dos sensores do tipo NTC, mostrou-se eficiente nesta aplicação,
pois apesar deste sensor não oferecer uma linearidade numa faixa extensa de
temperatura, na faixa de interesse, 20°C à 40°C, apresentou-se linear.
Os testes para validar o projeto como a de verificar a linearidade do sensor
NTC, o programa desenvolvido em Assembly, gravação no microcontrolador para
realizar a leitura dos sensores e para controlar a temperatura da manta térmica
foram realizados no laboratório a universidade São Francisco.
A fim de aperfeiçoar este projeto no futuro, pode-se melhorar o próprio
dispositivo aumentando o número de sensores na face do lençol acrescentando
também o número de canais na placa coletora, melhorando deste modo a precisão
da temperatura por todo o lençol, o uso de um display no dispositivo para que o
usuário possa ver o aumento da temperatura enquanto o lençol esquenta e o de um
aviso sonoro quando a temperatura desejada for reconhecida pelo dispositivo. Outra
melhoria importante neste projeto será a segurança do paciente no caso de algum
componente eletrônico apresentar problemas, neste caso soará um alarme alertando
que o aparelho sofreu algum dano.
Numa próxima etapa serão feitos os testes no equipamento real, e
devidamente acompanhado de uma equipe médica.
27
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner. Instrumentação e
Fundamentos de medida. Rio e Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2007.
BECKWITH, Thomas G., MARANGONI, Roy D., LIENHARD, John H. Mechanical
measurements. 5. ed. California: Addison-Wesley, 1993.
BOLTON, W. Instrumentacao e controle. São Paulo : Hemus.
GIMENEZ, Salvador P. Microcontroladores 8051. São Paulo: Pearson Education,
2002.
MOSKOWITZ, R. W.: Clinical Rheumatology - A Problem Oriented Approach to
Diagnosis and Management - Lea & Febiger - 1975. Current Diagnosis &
Treatment. 1979 - Lange Medical Publications.
MOURA, Carlos E. M. de. Úlceras de pressão: prevenção e tratamento. Univ. Ci.
Saúde, Brasília, v.3, n.2, p.275-286, jul./dez. 2005.
SILVA JR., Vidal Pereira. Microcontrolador 8051. São Paulo: Érica, 1990.
______. Aplicações práticas do microcontrolador 8051. 6. ed. São Paulo: Érica,
1994.
SMELTZER, S. C., BARE, B. G. Brunner & Suddarth: tratado de enfermagem
médicocirúrgica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1994.
WERNECK, Marcelo Martins. Transdutores e Interfaces. Rio de Janeiro : Livros
Técnicos e Científicos, 1996.
28
8. REFERÊNCIAS CONSULTADAS
BRAGA, Newton C. Escolhendo Sensores de Temperatura. Disponível em:
http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/182. Acesso em: 07/03/09.
______. Interfaceamento e linearização com o microconversor ADuC8xx.
Disponível em: http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/354. Acesso em:
10/10/09.
CONFORTO E TERAPIA. Disponível em:
http://www.confortoeterapia.com.br/produtos_descricao.asp?lang=pt_BR&codigo_pr
oduto=109. Acesso em 08/3/09.
KENKO PATTO. Lençóis Térmicos. Disponível em:
http://www.kenkopremium.com.br/lencois-termicos.php. Acesso em: 07/03/09.
LENÇOL DURMA QUENTE. Que tal deitar em uma cama bem quentinha?
Disponível em: http://www.lencoldurmaquente.com.br/lencol.html. Acesso em:
02/03/09.
MOREIRA, Lúcia. Medição de Temperatura Usando-se Termopar. Disponível em:
http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v07n05/v7n5_6.pdf. Acesso em: 08/03/09.
SOARES, Márcio J. Termômetro duplo com Logo. Disponível em:
http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/48. Acesso em: 10/10/09.
SOUZA, Gustavo R. Termistores – NTC e PTC. Disponível em:
http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/Gustavo&Ishizaki.pdf. Acesso em:
10/10/09.
29
9. APÊNDICE
Gera_onda.asm
; programa para gerar uma onda
DEFSEG RES,START=0000H,CLASS=CODE
SEG
RES
LJMP INICIO
DEFSEG MAIN,START=100H,CLASS=CODE
SEG
MAIN
INICIO:
lx:
cpl
p1.0
sjmp
lx
END
INICIO
; inverte o pino 1.0
; salto incondicional
; fecha o programa
LEITURA.asm
SEG
DEFSEG RES,START=0000H,CLASS=CODE
RES
LJMP INICIO
DEFSEG DADOS,START=30H,CLASS=DATA
SEG
DADoS
SOMA DB
2
LIMITE
DB
0
DEFSEG AQS,START=200H,CLASS=CODE
SEG
AQS
AQUIS
PROC
;LEITURA DA INPUT0
CJNE A,#1,L1
CLR
P3.4
;
CLR
P3.5
;
SETB P3.2
;
NOP
;
NOP
;
CLR
P3.2
;
REP: JNB
P3.3,REP
;
MOV
A,P1
;
SJMP
FIM2
;LEITURA DA INPUT1
L1:
CJNE
A,#2,L2
SETB P3.4
;
CLR
P3.5
;
SETB
P3.2
NOP
;
NOP
;
CLR
P3.2
;
REP1: JNB
P3.3,REP1
;
MOV
A,P1
;
SJMP
FIM2
;LEITURA DA INPUT2
L2:
CJNE
A,#3,L3
CLR
P3.4
;
SETB P3.5
;
SETB P3.2
;
; VERIFICA SE E CANAL 0
SETA 0 NO ADRESS A
SETA 0 NO ADRESS B
SETA 1 NO ALE
AGUARDA
AGUARDA
SETA 0 NO ALE
AGUARDA O AOC RETORNAR 1
MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR
; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA
; VERIFICA SE E CANAL 1
SETA 1 NO ADRESS A
SETA 0 NO ADRESS B
; SETA 1 NO ALE
AGUARDA
AGUARDA
SETA 0 NO ALE
AGUARDA O AOC RETORNAR 1
MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR
; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA
; VERIFICA SE E CANAL 2
SETA 0 NO ADRESS A
SETA 1 NO ADRESS B
SETA 1 NO ALE
30
NOP
NOP
CLR
P3.2
REP2: JNB
P3.3,REP2
MOV
A,P1
SJMP
FIM2
;LEITURA DA INPUT3
L3:
SETB P3.4
SETB P3.5
SETB P3.2
NOP
NOP
CLR
P3.2
REP3: JNB
P3.3,REP3
MOV
A,P1
SJMP
FIM2
FIM2:
RET
AQUIS
ENDPROC
;
;
;
;
;
AGUARDA
AGUARDA
SETA 0 NO ALE
AGUARDA O AOC RETORNAR 1
MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR
; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA
;
;
;
;
;
;
;
;
VERIFICA SE E CANAL 3
SETA 1 NO ADRESS A
SETA 1 NO ADRESS B
AGUARDA
AGUARDA
SETA 0 NO ALE
AGUARDA O AOC RETORNAR 1
MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR
; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA
; VOLTA PARA O RETORNO DA CHAMADA
DEFSEG MED,START=300H,CLASS=CODE
SEG
MED
MEDIA
PROC
MOV
(SOMA+1),#0
MOV
(SOMA),#0
MOV
R3,#4
MOV
R0,#30H
LSOMA:
MOV
A,@R0
ADD
A,(SOMA+1)
MOV
MOV
ADDC
MOV
INC
DJNZ
;GRAVADA
MOV
LMEDIA:
MOV
RRC
MOV
MOV
RRC
MOV
(SOMA+1),A
A,#0
A,(SOMA)
(SOMA),A
R0
R3,LSOMA
; ZERA A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL
; ZERA A VARIAVEL
; SETA A QUANTIDADE DO LOOP
; SETA A POSIÇÃO DA MEMORIA
; MOVE O VALOR DA MEMORIA PARA ACUMULADOR
; SOMA A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL SOMA COM O
; ACUMULADOR
; GRAVA NA SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL O RESULTADO
; ZERA O ACUMULADOR
; SOMA COM CARRY O ACUMULADOR COM A VARIAVEL SOMA
; MOVE O RESULTADO PARA A VARIAVEL SOMA
; INCREMENTA O REGISTRADOR R0
; VERIFICA SE FEZ EM TODAS AS POSICOES DA MEMORIA
MOV R3,#2
CLR
C
A,(SOMA)
A
(SOMA),A
A,(SOMA+1)
; SETA A QUANTIDADE DO LOOP
; LIMPA O CARRY
; MOVE PARA O ACUMULADOR A VARIAVEL SOMA
; DESLOCA COM CARRY PARA DIRETA
; MOVE O ACUMULADOR PARA A VARIAVEL SOMA
; MOVE A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL SOMA PARA O
; ACUMULADOR
A
(SOMA+1),A
;
;
;
;
;
DJNZ R3,LMEDIA
RET
MEDIA
ENDPROC
DESLOCA COM CARRY PARA DIRETA
MOVE O ACUMULADOR PARA A SEGUNDA PARTE DA
VARIAVEL
VERIFICA SE DESLOCOU 2 CASAS (DIVIDE POR 4)
RETORNA PARA O PROGRAMA
DEFSEG MAIN,START=100H,CLASS=CODE
SEG
MAIN
INICIO:
MOV
MOV
VERIF:
MOV
A,#205
; MOVE PARA O ACUMULADOR O VALOR DE LIMITE
(LIMITE),A ; MOVE O VALOR DO ACUMULADOR PARA A VARIAVEL LIMITE
MOV
R0,#30H
; SETA 30 NO REGISTRADOR0 COMO PONTEIRO
; DA MEMORIA
A,#1
; MOVE PARA O ACUMULADOR O VALOR 1 PARA LEITURA DO
31
T7:
SX:
LP1:
SY:
;PRIMEIRO CANAL
MOV
R1,A
; MOVE O VALOR DO ACUMULADOR PARA O REGISTRADOR1
CALL
AQUIS
; USA A CHAMADA DE AQUISICAO
MOV
@R0,A
; MOVE O VALOR LIDO PARA MEMORIA
INC
R0
; INCREMENTA POSICAO DE MEMORIA
INC
R1
; INCREMENTA CANAL
MOV
A,R1
; MOVE O CANAL PARA O ACUMULADOR
CJNE
R1,#5,T7
; VERIFICA SE LEU TODOS OS CANAIS
CALL MEDIA
; USA A CHAMADA DE MEDIA
JB
P2.0,LP1
; VERIFICA SE LENCOL ESTA LIGADO
MOV
A,(SOMA)
; MOVE A MEDIA PARA O ACUMULADOR
CJNE A,(LIMITE),SX
; VERIFICA SE MEDIA > LIMITE
JC
VERIF
; SE CARRY IGUAL 1 VOLTA PARA LEITURA
SETB P2.0
; LIGA O LENCOL TERMICO
SJMP VERIF
; VOLTA PARA LEITURA
MOV
A,(SOMA)
; MOVE A MEDIA PARA O ACUMULADOR
CJNE A,(LIMITE),SY
; VERIFICA SE MEDIA > LIMITE
JNC
VERIF
; SE CARRY IGUAL 0 VOLTA PARA LEITURA
CLR
P2.0
; DESLIGA O LENCOL TERMICO
SJMP VERIF
; VOLTA PARA LEITURA
END
INICIO
; FECHA O PROGRAMA