PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA COM ÊNFASE EM TELECOMUNICAÇÕES
ADALBERTO VELOSO JÚNIOR
RODOLFO BARBOSA DE SIQUEIRA
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE
COMBUSTÍVEL EM RESERVATÓRIOS
CURITIBA
2011
ADALBERTO VELOSO JÚNIOR
RODOLFO BARBOSA DE SIQUEIRA
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE
COMBUSTÍVEL EM RESERVATÓRIOS
Trabalho
de
Conclusão
de
Curso
apresentado ao Curso de Engenharia
Elétrica
com
Telecomunicações
Ênfase
da
em
Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletricista.
Orientador: Profº MSc. Ivan Jorge Chueiri
CURITIBA
2011
ADALBERTO VELOSO JÚNIOR
RODOLFO BARBOSA DE SIQUEIRA
SISTEMA DE MEDIÇÃO DE NÍVEL DE COMBUSTÍVEL EM
RESERVATÓRIOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Programa de Graduação da
Pontifícia Universidade Católica do Paraná, como requisito à obtenção de
graduado em Engenharia Elétrica com ênfase em Telecomunicações.
COMISSÃO EXAMINADORA
Professor MSc Ivan Jorge Chueiri
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
Professor James Alexandre Baraniuk
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
Curitiba, 05 de julho de 2011
AGRADECIMENTOS
Gostaria de deixar aqui meu agradecimento primeiramente aos meus
pais, que não mediram esforços em me proporcionar um estudo em uma
faculdade particular e ainda arcar com todos os custos de moradia,
alimentação, transporte e tudo mais em Curitiba. Aos meus queridos irmãos
que mesmo longe e mais novos sempre me deram forças. A minha namorada
que sempre me incentivou, me apoiou e me confortou nos momentos mais
difíceis. E por fim o grande agradecimento a duas pessoas, primeiro meu
amigo Rodolfo Barbosa de Siqueira pela parceria no projeto, pelo esforço que
fez para que pudéssemos concluir e ao meu orientador Professor Mestre Ivan
Jorge Chueiri, Mestre em Microeletronica que nos deu o maior apoio em todas
as dificuldades que encontramos ao longo do projeto final.
Adalberto Veloso Júnior
Agradecer a todas as pessoas importantes e preciosas que me ajudaram
e me auxiliaram em toda a faculdade demandaria uma tarefa extensa e
trabalhosa, porém devo, contudo ressaltar aquelas que fizeram sua presença
muito importante nessa reta final. Primeiramente, aos meus pais e irmão por
acreditarem em mim e na minha capacidade, na minha esposa e filho pela
paciência na ausência e pelo incentivo a continuar. Gostaria de agradecer
também ao meu amigo Adalberto Veloso que compartilhou as dificuldades
vividas para concluir nosso projeto, e em especial ao meu Professor Mestre
Ivan Chueiri que nos mostrou por diversas vezes o que seria melhor incluir ou
deixar de incluir no projeto. Professor, suas orientações foram fundamentais
para a conclusão deste projeto, obrigado. Ainda, gostaria de agradecer todo o
pessoal do suporte do laboratório de Engenharia Elétrica em especial meu
amigo Joan por ter me auxiliado em tudo que precisei.
Rodolfo Barbosa de Siqueira
RESUMO
Em tempos em que a média de carros por brasileiros sobe a cada ano
e que a população não tem consciência do uso de meios alternativos de
transporte, o carro se torna a principal escolha dentre os meios de transporte. A
conseqüência disso é a enorme quantidade de combustível gasta, e este
aumento afeta os comerciantes do ramo de combustíveis.
Estes comerciantes são obrigados a estarem sempre atentos aos seus
reservatórios de combustíveis, ou seja, grande número de carros na rua, maior
a quantidade de litros de combustíveis vendidos e menor o nível nos
reservatórios.
Para isso existem alguns métodos capazes de medir os níveis dos
reservatórios, um dos ainda muito utilizados são as réguas para medição de
tanques, no qual postos mais antigos ainda fazem uso ou então, em postos
mais novos e modernizados, são utilizados cintas capacitivas que envolvem os
tanques.
Pensando em uma modernização em todos os postos, mas sem a
necessidade da troca dos tanques, que ficam enterrados sendo necessário um
enorme trabalho para isso, foi proposta a utilização de um sensor de nível, no
qual seria utilizado na substituição das réguas medidoras, possuindo um nível
de confiabilidade maior e também facilidade e comodidade na hora de efetuar a
medição.
Palavras Chaves: Sensor de pressão, medição de pressão, nível de
combustível
ABSTRACT
In times where the number of vehicles per inhabitant in Brazil rises every
year and the population has not awareness of the use of alternative transport,
the car become one of the most common choice as transport. As the number of
vehicles raises, the amount of fuel spent rises as well, affecting the traders of
fuel.
These traders have always to be careful with their fuel tanks because a
greater number of cars in streets means more fuel being sold and lower levels
of the tanks.
For that, there are a number of methods capable of measuring the levels
of fuel tanks. One of the most used still nowadays, is the stick method. This
method is widely employed by older gas stations while in newer and
modernized gas stations, capacitive straps that embrace the tanks are used to
measure the fuel level.
Thinking about modernization of every gas station, without the need to
change the tanks because there is a lot of effort involved, this work proposes to
use a system that replaces the stick method of measuring fuel level. This
system relies on higher accuracy and convenient method for measuring fuel
level.
Keywords: pressure sensor, measuring pressure, fuel level
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Detalhe de um reservatório de combustível.....................................10
Figura 2 – Sistema de medição de nível de combustível com impressão de
relatório dos tanques.........................................................................................11
Figura 3 – Diagrama geral do sistema...............................................................14
Figura
4
–
Esquemático
do
sensor
de
pressão
MPXM2010GS
da
Freescale®.........................................................................................................16
Figura 5 – Esquemático do circuito amplificador...............................................17
Figura 6 – Consumo de corrente típico dos dispositivos MSP430....................19
Figura 7 – Esquemático do microcontrolador MSP430 da Texas®....................20
Figura 8 - Disposições dos pinos no shift register.............................................22
Figura 9 - Diagrama lógico do shift register.......................................................22
Figura 10 - Funções dos pinos do display de LCD............................................23
Figura 11 – Sistema durante os testes..............................................................25
Tabela 1: Testes realizados comparando o volume medido com o real............26
Tabela 2: Erros dos testes realizados................................................................27
Gráfico 1: Volume no balde pela tensão medida...............................................25
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ............................................................................................. 7
2
DETALHAMENTO DO PROBLEMA ............................................................ 9
3
TRABALHO A SER DESENVOLVIDO....................................................... 12
3.1
TABELAS DE COEFICIENTES PARA CORREÇÃO DA DENSIDADE E
DO VOLUME DOS DERIVADOS DE PETRÓLEO ANP ............................... 13
3.2
SENSOR E AMPLIFICADOR .............................................................. 14
3.3
MICROCRONTOLADOR .................................................................... 18
3.4
FLUÍDO ............................................................................................... 20
3.5
MÉTODO PARA CALIBRAÇÃO .......................................................... 21
3.6
SHIFT REGISTER............................................................................... 21
3.7
DISPLAY DE LCD ............................................................................... 22
4
PROCEDIMENTOS DE TESTE ................................................................. 24
5
CONCLUSÃO ............................................................................................ 28
REFERÊNCIAS ................................................................................................ 30
APÊNDICE 1 – CRONOGRAMA...................................................................... 32
ANEXO 1 - CONVERSÃO DE DENSIDADE PARA 20 GRAUS CELSIUS PARA
ÓLEO DIESEL.................................................................................................. 33
7
1
INTRODUÇÃO
A dificuldade em se trocar a forma de medir o nível de combustível em
reservatórios faz com que simples melhorias sejam de extrema importância
para comerciantes desse ramo. Os tanques de combustível normalmente são
isolados de qualquer gasoduto combustível e por isso deve ser periodicamente
abastecido (SCHIMNOWSKI, 2011). Para sair da utilização das réguas e
passar a utilizar as cintas capacitivas é necessária a troca de todos os tanques
reservatórios do estabelecimento, ou seja, isso envolve máquinas e pessoas
trabalhando em horário comercial, o que em postos de combustível pequenos e
dentro de cidades causariam um transtorno enorme para clientes e proprietário.
Hoje o Brasil conta com aproximadamente 38.000 postos de
combustível e deste total quase metade, aproximadamente 16.600, são postos
sem bandeira (AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO), ou seja, não recebem
apoios financeiros de marcas de distribuidores o que dificulta ainda mais uma
possível troca dos tanques para outros mais modernos.
Pensando em um produto que ofereça baixo custo e confiabilidade o
sistema desenvolvido oferece enormes vantagens em relação às réguas de
medição. O sistema pode ser permanente ou móvel, também é plug and play,
ou seja, qualquer defeito ou desgaste do sensor é necessário apenas a troca
do mesmo. Outra grande vantagem para as réguas é que a visualização do
resultado se dá de forma direta, ou seja, enquanto nas réguas é necessária
uma tabela de conversão para obtenção do valor, com o sistema isso não será
necessário, pois ficará a cargo do microcontrolador todo o tratamento dos
dados para exibição na tela.
Pensando também na segurança, já que para medidas em tanques
com líquidos inflamáveis todos os cuidados devem ser tomados, o sistema é
alimentado com uma bateria, evitando qualquer risco de faísca ou ignição que
possa provocar explosão. O produto final fica dentro de uma caixa totalmente
isolado do reservatório, tendo como único contato uma mangueira que é
mergulhada dentro do tanque, exercendo assim uma pressão no sensor e ela
acoplada.
Pensando nos fatores de extrema importância já citados para esse tipo
8
de medição, é que os sensores de nível da Freescale® como os da família
MPXM se encaixam, conseguindo trabalhar com altos níveis de pressão, baixo
consumo de tensão e dentro de uma escala aceitável de temperatura.
O projeto tem como intuito utilizar o sensor de nível MPXM2010GS
para fazer uma medida mais exata possível, para isso utilizaremos um
microcontrolador MSP430 da Texas® para poder processar os dados obtidos
pelo sensor e em seguida ser visualizado o resultado em um display de LCD.
Todos os itens são apresentados de maneira individual, tendo um
tópico para o microcontrolador, outro para o amplificador e o sensor e por
último um detalhamento de como utilizar o sensor em fluídos. Todas as
tecnologias estão descritas a seguir.
9
2
DETALHAMENTO DO PROBLEMA
Em postos de combustíveis mais antigos onde os reservatórios de
combustível não foram trocados ao longo dos anos a única solução para
medição do nível no interior do tanque é através das réguas de medição.
O maior problema nessa forma de medição é que a régua não trás o
valor esperado pelo proprietário, ela traz um valor no qual é necessária
posteriormente uma tabela de conversão (CONSELHO NACIONAL DO
PETRÓLEO), a qual traz o nível dentro do tanque de combustível.
A média de valor de uma régua de medição é de aproximadamente
R$76,00 de acordo com alguns fabricantes como a Zeppini®, essas réguas
podem ter de 3 a 4 metros de comprimento, esse tamanho permite uma
medição em tanques de até 30.000 litros.
Os reservatórios de combustíveis nos postos podem chegar até 60.000
litros (L), sendo que o mais comum são tanques de 30.000L. Esses tanques
podem ser subdivididos em 3 compartimentos de 10.000L, 10.000L e 20.000L
ou então sem divisão. Suas dimensões são de 6 metros (m) de comprimento e
2,55m de profundidade e tem uma massa de até 4 toneladas (Tn).
Na figura 1 pode-se visualizar os detalhes de um reservatório de
combustível.
10
Figura 1 - Detalhe de um reservatório de combustível
Fonte: http://www.arxo.com.br/pt/index.php?go=atuacao&and=produto&produto=5
Portanto, devido às dimensões e massa do tanque, é possível entender
a dificuldade em se trocar os reservatórios para instalação de tanques com
produtos de medição mais modernos.
Com sistemas modernos é possível saber o nível de combustível sem
chegar perto dos reservatórios, pois os produtos oferecidos no mercado são
capazes de trazer através de aparelhos, que podem ficar dentro dos escritórios,
as medições e ainda são capazes de imprimir em tempos preestabelecidos os
níveis, um exemplo de um sistema de medição controlada é o que mostra a
figura 2.
11
Figura 2 - Sistema de medição de nível de combustível com impressão de relatório dos tanques
Fonte: o autor, 2011
A empresa Gilbarco/Veeder-Root®, fabricante mundial de produtos para
monitoramente de nível de combustível, oferece a seus clientes produtos
capazes de medir não só o nível de combustível no reservatório, mas também
a detecção de vazamento no reservatório, detecção de combustível em lençol
de água freático, além de permitir acesso remoto e ainda detectar falhas no
próprio equipamento. Um produto completo, com muitas facilidades e
benefícios não só ao usuário como para o meio ambiente, porém toda essa
tecnologia exige um alto investimento financeiro.
O projeto final propõe um sistema simples e de confiabilidade, através
de sensores precisos e de uma programação na qual será possível indicar
diretamente ao usuário o volume de combustível contido dentro do reservatório,
sem a necessidade de tabelas de conversões
12
3
TRABALHO A SER DESENVOLVIDO
Neste projeto é desenvolvido um sistema de medição de nível de
combustível que é constituído pelo sensor MPXM2010GS da Freescale®, que é
o responsável por fazer as medidas de nível dentro do reservatório.
O kit LaunchPad MSP-EXP430G2 é o responsável por tratar os dados
enviados pelo sensor, esse microcontrolador recebe níveis diferentes de tensão
e faz as conversões necessárias para níveis de volume para posteriormente
exibir os dados devidamente tratados em um display de LCD.
Devido ao baixo nível de tensão fornecido pelo sensor é acoplado ao
sensor um amplificador, o escolhido foi o amplificador AD8544, ele é o
responsável por aumentar o nível de tensão antes de o sinal chegar ao microcontrolador.
Após todas as etapas concluídas é feito o acoplamento entre todos os
módulos, ficando sensor e amplificador acoplados ao microcontrolador e esse
após receber os dados do sensor e tratá-los envia ao display de LCD. Devido a
baixa quantidade de portas disponíveis no microcontrolador é utilizado um shift
register serial in paralelo out para a multiplexação dos dados enviados do
microcontrolador ao display.
O sistema de um modo geral não tem contato algum com o óleo diesel,
todos os circuitos ficam armazenados em uma pequena caixa que pode ficar
fixada em algum ponto externo ao reservatório. A caixa também trará fixado o
display de LCD, no qual exibirá as informações ao usuário.
O contato com o óleo diesel fica a cargo de um tubo de plástico ou
equivalente que tem a altura do reservatório e pode ficar dentro de um dos
“respiros” existentes, fazendo com que seja possível o sensor ser sensibilizado
pela variação de pressão exercida pela variação de altura de líquido no interior
do tubo, o que permite correto funcionamento do sistema.
O projeto apresenta certa limitação quanto à medição uma vez que o
sistema não apresenta medição de temperatura do combustível. Essa variável
pode influenciar razoavelmente na densidade do óleo diesel, o que implica em
um aumento ou diminuição do volume total do mesmo.
13
3.1
TABELAS DE COEFICIENTES PARA CORREÇÃO DA DENSIDADE E
DO VOLUME DOS DERIVADOS DE PETRÓLEO ANP
De acordo com resolução CNP Nº 6, DE 25.6.1970, o CONSELHO
NACIONAL DO PETRÓLEO, aprova o uso das tabelas de correção da
densidade e do volume na comercialização de derivados do petróleo, para que
a densidade aferida no momento do reabastecimento do tanque de combustível
esteja dentro dos padrões requeridos pela ANP.
A primeira tabela fornecida pela ANP na forma da resolução Nº6
permite obter os valores das densidades a 20ºC, valores esses que
correspondem a valores observados com um densímetro em temperaturas
diferentes de 20ºC.
A segunda tabela fornecida pela ANP na forma da resolução Nº6
permite fazer a correção no volume dos derivados de petróleo para
temperaturas diferentes de 20ºC, de maneira similar a primeira, como mostra o
anexo 1.
Essas tabelas devem ser levadas em consideração ao projetar um
sistema que seja capaz de medir o nível do combustível, pois as mudanças na
densidade e no volume que sofrem os derivados de petróleo afetam a precisão
da medida.
Este projeto tem como escopo medir nível de um combustível derivado
do petróleo, o diesel. Este tem uma densidade permitida por lei que varia de
0,8200 à 0,8800 à uma temperatura de 20ºC. Para efeito de desenvolvimento
do produto é escolhida uma densidade média.
Abaixo está um esquemático geral do sistema a ser desenvolvido,
posteriormente cada bloco será expandido e melhor detalhado
14
Display LCD
Microcontrolador
Sensor /
Amplificador
Reservatório
de
combustível
Figura 3 - Diagrama geral do sistema
Fonte: o autor, 2011
3.2
SENSOR E AMPLIFICADOR
A escolha dos sensores de pressão é bem complexa, pois existem
sensores de vários tipos mesmo dentro de uma mesma família e sendo do
mesmo fabricante.
A escolha do sensor utilizado neste projeto foi decidida em contatos
feitos com o próprio fabricante para sanar dúvidas quanto a essa escolha.
Nesses contatos foram sugeridos dois sensores de pressão:
•
MPX5050.
Sensor
de
pressão
piezo-resistivo
com
circuito
de
amplificação de ganho on-chip com capacidade de medição de até
50kPa de pressão aplicada.
•
MPXM. Essa série também são sensores de pressão piezo-resistivos,
15
porém não possuem circuito de amplificação o que faz necessário
circuito externo. O MPXM2010GS tem capacidade de medir até 10kPa
de pressão aplicada enquanto que o MPXM2053GS tem capacidade de
medir até 50kPa de pressão aplicada. Ambos possuem o mesmo
encapsulamento.
O fator preponderante na escolha foi o preço dos sensores e
disponibilidade do fabricante em enviar amostras grátis. Enquanto que os
sensores com circuito de amplificação no chip podem chegar até R$50,00, o
último fica perto de R$30,00. O único sensor disponibilizado como amostra pelo
fabricante foi o MPXM2010GS, fato que nos levou à sua escolha.
Os testes são desenvolvidos com esse sensor e validados com o
mesmo. Apesar de possuir uma capacidade de medição mais limitada, testes
em recipientes menores validam testes para tanques de combustíveis, pois
apresentaram condições de teste e calibração similares. Ainda, o hardware e o
software foram desenvolvidos de maneira que se possa substituir um sensor
por outro da mesma família sem alterações.
Outro sensor disponível no mercado é o sensor de capacitância, que é
composto por duas placas em paralelas e um dielétrico entre elas. Conforme o
sensor é submetido a variações, suas placas se aproximam ou distanciam uma
da outra, provocando assim a variação que pode ser identificada por um
microcontrolador. Devido ao pouco conhecimento a respeito deste sensor o
mesmo não foi o escolhido dentro dos disponíveis.
Ainda temos o sensor por ultra-som, um sistema de medição de ultrasom é constituído por um transmissor de ultra-som e um ultra-som receptor. Os
sinais são refletidos a partir de níveis diferentes de interface, na medida
volume, são recebidos pelo receptor de ultra-sons, como os sinais são função
da densidade da média e da velocidade do som no meio. Interfaces diferentes
em um separador podem ser obtidas por processamento de sinais. Este
método tem sido utilizado para monitoramento do nível contínuo e discreto
(AKHNEIFER, 1999).
O sensor a ser utilizado é o MPXM2010GS da Freescale® para realizar
a medição de nível dos tanques.
O dispositivo MPXM2010GS é um sensor de pressão piezo-resistivo de
silício que provê uma tensão linear de saída diretamente proporcional à
16
pressão aplicada. Algumas características:
•
Temperatura compensada de 0°C até +85°C;
•
Disponível em Easy-to-Use Tape & Reel.
Exemplos de aplicações
•
Diagnósticos respiratórios;
•
Controle de movimento aéreo;
•
Controladores;
•
Pressão de comutação.
O sensor de pressão da família a ser utilizada apresenta três maneiras
distintas, ele pode ser compensador, não compensador e integrador,
especificamente o utilizado é o compensador, como mostra a figura 4. Esse é o
sensor mais robusto dentro da família MPXM.
Figura 4 - Esquemático do sensor de pressão MPXM2010GS da Freescale®
Fonte: Datasheet MPXM2010GS
Também acoplado ao kit é necessário conter um amplificador. Para
isso é utilizado o modelo AD8544, que é um amplificador operacional com
capacidade de alimentação sem a utilização de fonte simétrica. O componente
conta com quatro amplificadores e como o circuito montado utiliza-se de três,
17
além disso, este se excursiona dentro de toda a curva de ganho (rail-to-rail),
portanto o componente se faz a melhor opção para a aplicação.
Algumas das principais características desse AD são:
•
Tensão de operação: 2.7 V até 5.5 V;
•
Baixo consume de corrente: 45 μA/amplificador;
•
Banda passante: 1 MHz;
•
Sem inversão de fase;
•
Unidade de ganho estável.
Algumas possíveis aplicações seriam:
•
Sensores de interface;
•
Amplificadores transdutores piezo-resistivo;
•
Intrumentação médica;
•
Saídas de audio.
O circuito é utilizado de maneira que na saída do sensor consigamos
ter entre 0 e 3 Volts (V). A escolha desse intervalo de tensão se fez necessária
devido a limitação do pino A/D do microcontrolador. A figura 5 ilustra o circuito
amplificador em questão.
Sensor de pressão
(pino 4)
Sensor de pressão
(pino 2)
Figura 5 - Esquemático do circuito amplificador
Fonte: o autor, 2011
18
Logo após acoplados sensor e amplificador é necessário uma
calibração inicial, essa calibração é feita em duas partes, a primeira onde se
faz a medida de pressão na superfície do fluído e a segunda parte é necessário
fazer uma medida de pressão no fundo do reservatório, assim conseguimos ter
uma referência pra o início das medidas.
3.3
MICROCRONTOLADOR
Para o processamento dos dados é utilizado o kit LaunchPad MSP-
EXP430G2, que é o responsável por receber todos os dados passados pelo
sensor e fazer as conversões necessárias para uma posterior apresentação.
Os dados recebidos pelo microcontrolador são apresentados em um display
LCD que é acoplado ao kit.
O kit LaunchPad é uma plataforma de desenvolvimento de baixo custo
e
que
possibilita
o
desenvolvimento
de
aplicações
baseadas
no
microcontrolador MSP430 de maneira rápida e eficiente. O microcontrolador
que é incluído nesse kit é o MSP430G2231 e possui as seguintes
características:
•
Faixa de alimentação de: 1.8 V to 3.6 V;
•
Consumo ultra baixo;
•
Modo ativo: 220 µA a 1 MHz, 2.2 V;
•
Modo Standby: 0.5 µA;
•
Modo Desligado (Retenção de RAM): 0.1 µA;
•
Cinco modos de economia de bateria;
•
Tempo de Wake-Up a partir do modo Standby ultra-rápido (menos de 1
µs);
•
Arquitetura 16-Bit RISC, Ciclo de instruções de 62.5-ns;
•
Modos básicos de configuração do Clock;
•
Freqüência interna de até 16 MHz com uma freqüência calibrada;
•
Oscilador interno de baixa potencia e baixa freqüência;
•
Cristal de 32-kHz ;
•
Fonte externa para Clock Digital;
•
16-Bit Timer_A com 2 Registradores Captura/Comparação;
19
•
Universal Serial Interface (USI) que suporta SPI e I2C;
•
Detector de Brownout;
•
Conversor A/D 10-Bit com referência interna, Sample-and-Hold e scan
automatic;
•
Programação Serial Onboard, Não há necessidade de tensão de
programação externa;
•
Emulação lógica com interface Spy-Bi-Wire On-Chip.
A família de microcontroladores MSP430x2xx, incluem uma CPU RISC
de 16 bits, periféricos e um sistema de clock flexível interconectados através de
um barramento von-Neumann comum para endereçamento de memória e um
barramento de memória para dado (MSP430X1XX FAMILY).
Uma das facilidades implementadas em processadores da família
MSP430x2xx são os modos de operação projetados para aplicações de baixo
consumo. De acordo com o manual do usuário desta família, os modos de
operação levam em conta três diferentes necessidades:
•
Ultra-Baixo consumo
•
Velocidade e taxa de transferência de dados
•
Minimização do consumo de corrente dos periféricos individualmente
Existem 4 modos de operação em baixo consumo, além do modo ativo,
e abaixo pode-se notar o gráfico de consumo de corrente para cada modo.
Figura 6 - Consumo de corrente típico dos dispositivos MSP430
Fonte: Manual do usuário MSP430
É importante ressaltar que este microcontrolador gasta menos 1 µA no
modo LPM3 com clock de tempo real e interrupções ativas e leva 1 µs para
20
acordar deste modo de baixo consumo.
O microcontrolador utilizado neste projeto é dotado de timer de 16 bit
com dois registradores captura/comparação, um módulo de comunicação USI
(Universal Serial Interface) que prove SPI (Serial Peripheral Interface) e I²C e
um conversor A/D com referência interna, sample-and-hold e scan automático.
A figura 7 ilustra o esquemático do microcontrolador.
Figura 7 - Esquemático do microcontrolador MSP430 da Texas®
Fonte: Datasheet MSP-EXP430G2
É fato que um dispositivo que seja dotado de características de baixo
consumo interfere consideravelmente na vida útil do sistema. Além dessa, as
características listadas aqui foram de grande valia no momento da escolha
deste microcontrolador para o presente projeto.
3.4
FLUÍDO
Para utilização do sensor de pressão em um fluído é necessário
algumas considerações. O sensor é produzido para o uso em água, porém é
possível utilizá-lo em outros fluídos, para isso devemos levar em consideração
a densidade do material.
Como o objetivo é utilizar o sistema em óleo diesel se faz necessário
sua densidade. De acordo com a resolução 42 da ANP, o óleo diesel terrestre
utilizado em território brasileiro pode ser do tipo A e B e pode ser S50, S500 ou
S1800. Para fins de pesquisa será utilizado o S50, onde sua massa específica
pode variar entre 820 e 850 kilograma por metro cúbico (kg/m3) (AGÊNCIA
NACIONAL DO PETRÓLEO).
Para a conversão aplica-se a Lei de Stevin, onde a diferença de
21
pressão entre dois pontos no interior de um líquido em repouso é igual ao
produto da densidade desse líquido pela aceleração da gravidade e pelo
desnível vertical entre esses dois pontos (LOURENÇO, 2001).
A fórmula a ser utilizada será
=
× ∆ℎ × , onde P é a pressão no
fluído, Δh é a altura do recipiente e g é a aceleração da gravidade.
3.5
MÉTODO PARA CALIBRAÇÃO
Ao iniciar o sistema o primeiro passo a ser realizado pelo usuário é a
calibração do sistema. A calibração se dá em duas etapas. Na primeira, o
sensor é deixado em contato com o ar (atmosfera dentro do reservatório),
simulando uma pressão a zero centímetro de coluna de líquido. Ao apertar um
botão pré-definido, esse valor é armazenado na memória do microcontrolador e
será interpretado como valor de offset.
Já na segunda etapa o valor a ser medido é obtido através da
mangueira imersa no fundo do reservatório de combustível. O usuário então
pressiona novamente o botão para gravar esse valor de pressão, referente ao a
ao fundo do reservatório, na memória.
Depois de efetuado esses dois passos de calibração o sistema estará
pronto para realizar as medições de volume nos reservatórios.
3.6
SHIFT REGISTER
O shift register escolhido foi o 74HC164, ele é utilizado para oito bits e
tem entrada serial e saída paralela e tem as seguintes características:
•
Tensão de operação entre 2 e 6 V;
•
Baixa corrente de entrada, aproximadamente 1 µA;
•
Alta imunidade a ruído, característica de dispositivos CMOS;
•
Saída com interface para CMOS, NMOS e TTL;
Utilizamos três pinos do shift register diretamente no microcontrolador,
os dois pinos de entrada serial que utilizam apenas uma porta do
microcontrolador e o pino de clock. Com ele podemos enviar os oito bits
22
necessários
ao
display
e
utilizar
apenas
quatro
portas
do
microcontrolador, gerando assim uma grande economia.
Abaixo temos um esquemático da disposição dos pinos no dispositivo e
também um diagrama lógico do shift register.
Figura 8 - Disposições dos pinos no shift register
Fonte: Datasheet 74HC164
Figura 9 - Diagrama lógico do shift register
.Fonte: Datasheet 74HC164
3.7
DISPLAY DE LCD
O display utilizado no projeto é da Winstar® e é 16x2, ou seja, são 16
colunas e 2 linhas. Ele pode ser alimentado com apenas 3 V ou no máximo 5V.
23
Dos dezesseis pinos do display, dois vão para o microcontrolador, o pino 4 que
é o pino de register select (RS) e o pino 6 que é o pino de enable. Os demais
pinos são para alimentação, para o ajuste do contraste, no qual é utilizado um
potenciômetro de 5kΩ, os oito pinos de dados e o pino de read/write, que não é
utilizado.
Abaixo temos todos os pinos do display de LCD e suas funções.
Figura 10 - Funções dos pinos do display de LCD
Fonte: Datasheet Winstar WH1602A
24
4
PROCEDIMENTOS DE TESTE
Para a validação do projeto foi utilizado um balde com 11 litros para a
simulação de um reservatório de combustível, nele foi instalado uma pequena
torneira, no qual pudemos ir retirando o óleo diesel contido dentro do baldo e
assim ir verificando a variação da pressão aplicada ao sensor.
O sensor de pressão ficou instalado em uma placa confeccionada no
laboratório, em sua extremidade foi acoplado um garrote, no qual se faz
necessário tanto para a calibração do sistema, quanto para as constantes
medidas que são efetuadas, a calibração, conforme já foi explicado
anteriormente se faz necessário no topo e no fundo do recipiente.
O balde foi completado com 10 litros de óleo diesel, o sistema foi
calibrado e logo após iniciaram-se os testes, a figura 11 mostra o sistema em
teste. Durante o teste foi construído conforme o gráfico 1 para mostrar o valor
de tensão medido e o volume no balde.
Os 10 litros de óleo diesel foram obtidos de um posto de gasolina da
marca Esso. Esse combustível foi armazenado em garrafas PET de dois litros
para posteriormente ser despejado no recipiente confeccionado para os testes.
A aferição dos 10 litros de combustível foi realizada através da própria bomba
de combustível, que tem sua aferição verificada todos os dias pelos
funcionários do posto. Sendo que uma eventual diferença de combustível
vendido para o consumidor é passível de multa pelos órgãos fiscalizadores
como Inmetro e ANP.
25
Figura 11 – Sistema durante os testes
Fonte – o autor, 2011
Gráfico do volume pela tensão medida
2
1,9
1,8
Tensão (V)
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
10
9
8
7
6
5
4
3
2
Série2
1,888
1,815
1,718
1,657
1,532
1,448
1,37
1,266
1,171
Série3
1,872
1,812
1,703
1,636
1,551
1,456
1,386
1,287
1,124
Série4
1,851
1,808
1,706
1,611
1,555
1,485
1,333
1,273
1,175
Gráfico 1: Volume no balde pela tensão medida
Fonte: o autor, 2011
26
Os primeiros testes foram realizados apenas como uma parcial do que
viria a ser o sistema final. Foram verificadas as variações de tensão conforme o
volume no balde diminuía, a funcionalidade do circuito amplificador e também a
eficiência do sistema quando esse já estivesse calibrado, com variações
ocorrendo continuamente como é o caso de retirar todo o líquido e ao término
de um teste o início de um novo teste sem que fosse feita uma nova calibração
do sistema.
Em testes posteriores foi montada uma tabela de comparação do
volume que havia no balde e o volume que o sistema mostra ao usuário no
display de LCD, com base nos resultados medidos foi montada a tabela 1
Volume
Volume (l) apresentado
1 (l)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
10
8,889
7,898
6,933
5,967
4,967
3,863
3
1,828
-
Volume
apresentado
2 (l)
Volume
apresentado
3 (l)
Volume
apresentado
4 (l)
10
8,726
7,967
6,933
6,036
4,967
3,966
2,897
1,793
-
10
8,729
7,898
6,933
6,07
4,966
3,863
2,759
1,828
-
10
8,692
8,002
6,933
5,967
5,001
4,001
2,931
1,828
-
Tabela 1: Testes realizados comparando o volume medido com o real
Fonte: o autor, 2011
Fazendo a comparação dos dois valores, foi montada uma segunda
tabela, nela foi feito o cálculo do erro do sistema para cada medida e um erro
médio geral do sistema, conforme mostra a tabela 2.
27
Volume (L)
Erro teste 1
(%)
Erro teste 2
(%)
Erro teste 3
(%)
Erro teste 4
(%)
Erro médio dos
testes (%)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
1,233
1,275
0,957
0,550
0,660
3,425
0,000
8,600
-
0
3,044
0,413
0,957
0,600
0,660
0,850
3,433
10,350
-
0
3,011
1,275
0,957
1,167
0,680
3,425
8,033
8,600
-
0
3,422
0,025
0,957
0,550
0,020
0,025
2,300
8,600
-
0
2,678
0,747
0,957
0,717
0,505
1,931
3,442
9,038
-
Erro médio
teste 1 (%)
Erro médio
teste 2 (%)
Erro médio
teste 3 (%)
Erro médio
teste 4 (%)
Erro médio total
(%)
2,647
3,179
4,381
2,299
3,126
Tabela 2: Erros dos testes realizados
Fonte: o autor, 2011
O erro médio de cada teste ficou em 3,126%, isso significa que em um
balde como o utilizado, de 10 litros, o erro na medida será em torno de 300
mililitros. Já para um reservatório de 10.000, por exemplo, o erro chegaria a
300 litros.
28
5
CONCLUSÃO
No texto foram abordados todos os blocos a serem executados no
projeto de forma detalhada, da maneira que deverá comportar o sistema.
Foram abordados microcontrolador, amplificador, sensor e a utilização do
sensor em fluídos como o óleo diesel.
Outro ponto abordado foram todas as características dos componentes
a serem utilizados, tanto suas facilidades e benefícios, quanto suas
adversidades e pontos de atenção.
O projeto deixa claro que o principal objetivo é a melhora significativa
no quesito medição de nível de combustível em reservatórios de postos de
gasolinas, mostrando claramente todas as dificuldades que os postos
encontram para modernizar seus sistemas e também os sistemas não tão
confiáveis que existem para aqueles que não têm a condição de efetuar a troca
dos reservatórios.
Com base nos testes realizados, o erro do sistema se deu por
satisfatório, uma vez que, como protótipo, não foram retirados todas as
interferências que pudessem existir. Problemas como ruídos não foram
totalmente sanados, porém foi adotada uma conduta para que estes fossem
minimizados o máximo possível. Outros problemas como o raio do reservatório
utilizado para os testes, a confecção das placas, o erro quanto ao volume
observado no balde e o método utilizado para o teste também contribuíram
para o pequeno erro encontrado.
Além destes, outros aprimoramentos podem ser adotados para que o
sistema se comporte de maneira ainda melhor. Levar em consideração a
variação da densidade em função da temperatura ao invés de utilizar uma
média do valor de densidade permitido, provavelmente atribuiria ao sistema
uma maior robustez e conseqüentemente um erro menor. Outro aprimoramento
a ser implementado, inclusive em curto prazo, é uma melhoria na média obtida
pela leitura do valor de volume, além de uma comparação com o valor lido
anteriormente.
Isso leva a crer que em etapas futuras todos os problemas sejam
sanados e o erro do sistema venha a diminuir ainda mais, chegando o mais
29
próximo possível do zero e servindo como um sistema muito mais confiável que
alguns produtos encontrados no mercado, como é o exemplo da régua de
medição.
Um sistema simples, confiável, de fácil manuseio, de baixo custo, com
baixo consumo de energia e com perfeita aplicação comercial, esse é o
objetivo maior para o projeto.
30
REFERÊNCIAS
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method. Fisher Controls International LLC, 2007
CONSELHO NACIONAL DO PETRÓLEO. Aprova novas tabelas de
coeficientes para correção da densidade e do volume dos derivados de
petróleo. Resolução nº 6, de 25 de junho de 1970. 1521ª SESSÃO
ORDINÁRIA
-
DOU
13.7.1970.
Legislação
Federal.
Disponível
em:
< www.anp.gov.br >. Acesso em 22 de abril de 2011.
ANALOG DEVICES. AD8541/AD8542/AD8544 General-Purpose CMOS Railto-Rail
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2008.
Disponível
em:
<
http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/AD8541_8542_8544.pdf>. Acesso em: 18 de março de 2011.
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http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/MPXM2010DT1.pdf>.
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http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/MPXM2010DT1.pdf>.
Acesso em: 05 de março de 2011.
CHEN, H-M; CHEN, Z-Y.- Implement of a Cascade Integral Sliding Mode
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Information and Control, p. 162, 2008.
BRITO, N. R. - A remote system for water tank level monitoring and control
- a collaborative case-study. E-Learning in Industrial Electronics, p. 19, 2009.
TOCCI, R. J. - Sistemas digitais: princípios e aplicações. 5. ed. São Paulo:
Prentice Hall do Brasil, 1994.
31
BALL, S. R. - Analog interfacing to embedded microprocessors: real world
design. Boston: Newnes, 2001.
HJERTAKER, B.T.; et al - Recent developments in hydrocarbon separator
interface imaging, Proceedins of SPIE, p. 81, 2001.
AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO. Resolução nº 42, de 16 de dezembro
de 2009 – DOU 17.12.2009. Disponível em: <
http://www.recap.com.br/pdfs/portarias/anp42.pdf > Acesso em 02 de maio de
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LOURENÇO, M. Apostila de Hidrostática, Salvador: [s.n.], 2011.
AKHNEIFER, A.E.M. Development of a multi-interface level measurement
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MSc
dissertation,
Department
of
Electrical
Engineering
and
Electronics, University of Manchester Institute of Science and Technology,
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2010. Disponível em: <http://redesoldp.com.br/tabela_densidade_diesel3.php>.
Acesso em 16 de junho de 2011.
32
APÊNDICE 1 – CRONOGRAMA
33
ANEXO 1 - CONVERSÃO DE DENSIDADE PARA 20 GRAUS CELSIUS
PARA ÓLEO DIESEL
34
35