sistema de controle de temperatura

sistema de controle de temperatura

COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

Prof. Sidney José Montebeller

Bruno Rafael –

Jean D’Elboux–

Johnny Costa –

Sorocaba / SP

Novembro – 2008

SUMÁRIO

1. Introdução

1.1 Motivação

2. Revisão da Literatura

2.1. Teoria

2.2. Descrição dos componentes

2.3. Método de Levantamento Experimental

3. Material e Método

3.1. Material Utilizado

4. Descrição do Projeto

5. Conclusão

Referências Bibliográficas

1. INTRODUÇÃO

Nesse trabalho pretendemos emular um sistema de controle de temperatura. A partir de teste estuda-se o processo onde a variável que pretendemos controlar é a temperatura. Este processo é feito a partir da medição da temperatura através de um sensor que envia o valor a um microcontrolador que por sua vez controla um motor responsável por diminuir a temperatura do ambiente.

Usamos um sensor LM75 para medir a temperatura através de IC2 e mostramos o resultado em um Display de 7 segmentos. Usa-se um microcontrolador PIC16F628 com um clock interno de 4Mhz, receber a o valor respectivo a cada temperatura e controlar a velocidade de um cooler através da saída PWM.

1.1 MOTIVAÇÃO

Bate daqui e dali e movimentos repetidos provocam lesões em tendões, músculos e articulações, principalmente nos braços, ombros e pescoço devido ao uso repetitivo ou a manutenção de posturas inadequadas. Temperatura inadequada entre outros fatores influenciam no rendimento de um funcionário no trabalho.

Em uma discussão sobre o ambiente de trabalho surgiu a idéia de fazemos um cooler acionado pela porta USB do computador, pois Sorocaba é uma cidade quente e todos os componente do grupo trabalham em frente ao computador o dia todo. E a partir dessa idéia começamos a pesquisar e nos aprofundar no assunto para desenvolvermos um projeto relacionado ao controle de temperatura do ambiente.

DEFINIÇÕES BÁSICAS

É um conjunto de fatores interdependentes, materiais ou abstratos, que atua direta e indiretamente na qualidade de vida das pessoas e nos resultados dos seus trabalhos (Wada, 1990).

Um local de trabalho, seja um escritório, uma fábrica, um banco, deve ser sadio e agradável. O homem precisa encontrar aí condições capazes de lhe proporcionar o máximo de proteção e, ao mesmo tempo, satisfação no trabalho.

Neste sentido, o ambiente de trabalho é composto de um conjunto de fatores, que podem ser agrupados em dois blocos, quais sejam, fatores físicos e fatores organizacionais do ambiente de trabalho. É importante salientar que, não há uma hierarquização de importância, pois um ambiente de trabalho é, na verdade, produto da contribuição desses diversos fatores.

Trabalhando com computadores Os sintomas causados pelo "mau uso" dos computadores são dores de cabeça, da nuca e nas costas, dificuldades na visão e stress. Mas o computador não é o único culpado. Os monitores, scanners, impressoras, e até os móveis; cadeiras, mesas, aparelhos de iluminação também podem causar problemas para o usuário da computação. Além disso, a excessiva exposição à radiação de baixa freqüência pode causar influências negativas sobre a gravidez, sem falar nos casos de problemas de postura e outros de percepção.

AMBIENTE TÉRMICO

Segundo Verdussen (1978), a temperatura é um ponto que deve merecer o maior cuidado, quando se busca criar adequadas condições ambientais de trabalho. Há temperaturas que nos dão uma sensação de conforto, enquanto outras tornam-se desagradáveis e até prejudiciais à saúde.

Trabalho em temperaturas elevadas

Segundo Laville (1977), durante o trabalho físico no calor, constata-se que a capacidade muscular se reduz, o rendimento decai e a atividade mental se altera, apresentando perturbação da coordenação sensório-motora. A freqüência de erros e acidentes tende a aumentar pois o nível de vigilância diminui, principalmente a partir de 30° C.

Trabalho em baixas temperaturas

Os danos à saúde, nestes casos, apresentam uma relação direta entre o tempo de exposição e as condições de proteção corporal. Destaca-se, ainda, os cuidados necessários à prevenção dos denominados choques térmicos, que podem ocorrer quando o organismo é exposto a uma variação brusca de temperatura. Os efeitos sobre a saúde do trabalhador frente a um ambiente de trabalho com baixas temperaturas são, entre outros:

  • redução das habilidades motoras como a destreza e a força, da capacidade de pensar e julgar

Nem frio nem calor Como regra geral, temperaturas confortáveis, para ambientes informatizados, devem ficar entre 20 e 22 graus centígrados, no inverno e entre 25 e 26 graus centígrados no verão (com níveis de umidade entre 40 a 60%).

2. REVISÃO DA LITERATURA

2.1 Teoria

Os ventiladores de refrigeração são usados retirar para fora o ar quente gerado em um sistema. Exemplos típicos são Racks de suporte para servidores de rede. O cooler poderá ser usado para resfriar esse sistema se usado sempre em sua velocidade máxima. Mas esse cooler consumiria muita energia e gera muito ruído.

Os ventiladores de refrigeração podem ser mais eficientemente usados se sua velocidade for ajustada de acordo com a temperatura do sistema.

O sistema de resfriamento tentara manter uma temperatura estável, ajustando constantemente a velocidade do ventilador de acordo com a temperatura atual.

Aplicação industrial

Atualmente é de suma importância em determinados segmentos industriais o controle da temperatura na parte de aplicações industriais, pois se não houver o controle efetivo pode-se danificar o produto final sendo construído, isso com perdas financeiras relativamente altas. Ou se não for controlado a temperatura em determinados segmentos industriais, pode-se ocorrer até a perda de vidas humanas, com perdas relativamente infinitas. Um exemplo ao extremo de Aplicações Industriais que necessitam do controle de Temperatura é do tipo de Geração de Energia Nuclear, na usina nuclear, pois qualquer variação não controlada da temperatura dentro do reator pode-se fazer com que o Reator Nuclear literalmente exploda, com riscos financeiros infinitos, por causa do alto risco de perdas de vidas humanas.

2.2. Descrição dos componentes

O LM75 é um sensor de temperatura programável que notifica ao controlador quando a temperatura ambiente ultrapassa uma série de pontos programados.

A saída INT/CMPTR é programável tanto como comparador de temperatura para realizar operações de termóstato quanto um evento de interrupção de temperatura.

A comunicação com o LM75 é realizada através dos fios two-wire, que é compatível com a indústria padrão protocolos. Isso permite a leitura atual da temperatura, a programação da setpoint e histerese, e configuração do dispositivo.

Os LM75 poderes em COMPARADOR Modo com uma falha setpoint de 80ºC com 5ºC histerese. O funcionamento padrão permite operações independentes, como um termóstato independente. Um comando de shutdown pode ser enviado para ativar o low–power standby mode (economia de energia). A seleção de entradas de endereço permite até oito LM75s compartilhar a mesma 2–wire cable para monitorar a mesma área.

Todos registradores podem ser lidos pelo microncontrolador, e as saídas INT/CMPTR são programadas pelo usuário.

Por ser pequenos em tamanho, instalação barata, e de fácil uso fazem do LM75 uma escolha ideal para implementar sofisticados sistemas de controle

Regulador LM 7805

O LM7805 é um regulador de tensão linear fornecido por vários fabricantes como a Fairchild ou ST Microelectronics.Ele pode vir em vários encapsulamentos. Para corrente de saída até 1A existem dois encapsulamentos: TO-220 (vertical) e D-PAK (horizontal).

Com um dissipador de calor apropriado, os LM78xx podem fornecer até mais que 1A de corrente. Ele também possui proteção contra sobre-temperatura e curto-circuito.

PIC16F628

O PIC16F628 é um microcontroladores produzidos pela Microchip Technology e que pertence à sua família PIC de microcontroladores. O PIC16F628 dispõe de 2048 palavras de 14 bits. Possui 224 bytes de Memória RAM e 128 bytes de memória EEPROM.

Este microcontroladore vem ao longo do tempo substituindo o tão famoso PIC16F84 devido à sua flexibilidade de integração em aplicações baseadas em microcontroladores. Para além do facto de que os programas escritos para o PIC16F84 serem facilmente convertidos para o PIC16F628, este dispõem de outras potencialidades como a sua memória EEPROM que lhes permite guardar informação mesmo após lhes ter sido removida a tensão de alimentação ou a sua interface USART (Universal Synchronous / Assynchronous Receiver / Transmitter) que lhe permite comunicar directamente com outros dispositivos que utilizem este tipo de interface tais como computadores PC através da sua porta RS-232. Para além das vantagens referidas este microcontroladore possui oscilador interno o que faz com que não seja necessário utilizar um cristal de quartzo em muitas aplicações, reduzindo assim a complexidade das mesmas. Possuem ainda mais estes periféricos: contadores de 8 e 16 bits, módulo CCP (Capture, Compare e PWM), comparadores analógicos, Watchdog timer. Seu encapsulamento DIP é de 18 pinos e pode ser programado com 35 instruções assembly disponíveis.

 

O microcontrolador PIC16f628

Programação do Microcontrolador

O Software utilizado no Microcontrolador PIC foi desenvolvido em linguagem JAL (Just Another Language), sendo um nível mais alto sobre o desenvolvimento direto na linguagem C tradicional, pois visa facilitar o próprio desenvolvimento de software sobre a arquitetura dos microntroladores PIC (16c84, 16f84, 12c508, 12c509, 16F877) .

Display de sete segmentos

Um display de sete segmentos, é um tipo de display (mostrador) barato usado como alternativa a displays de matriz de pontos mais complexos e dispendiosos. Displays de sete segmentos são comumente usados em eletrônica como forma de exibir uma informação numérica sobre as operações internas de um dispositivo.

O display pode ser do tipo anodo comum, ou seja os terminais anodo de todos os segmentos estão interligados internamente e para o display funcionar, este terminal comum deverá ser ligado em Vcc, enquanto que o segmentos para ligar precisam estar ligados no GND (lógica inversa). Já o display catodo comum, é o contrário, ou seja, o terminal comum, deverá ser ligado ao GND e para ligar o segmento é necessário aplicar Vcc ao terminal.

Pulse Width Modulation - Modulação por Largura de Pulso

PWM é uma técnica para conversão digital/analógico usando apenas um bit, onde é gerada uma forma de onda quadrada onde o tempo em que esta forma fica em "1" define o valor da saída (velocidade/brilho).

Circuitos digitais só produzem dois números: "0" e "1". Já circuitos analógicos podem ter uma infinidade de variações. Por exemplo, em um circuito digital só podemos ligar ("1") ou desligar ("0") um motor ou uma lâmpada, enquanto que em um circuito analógico podemos controlar em infinitos gradientes o brilho da lâmpada desde o seu estado total de apagamento até o seu brilho máximo. Com um motor acontece o mesmo, podemos controlar em inifitos gradientes sua velocidade, desde o seu estado de não rotação até a sua velocidade máxima. Para um circuito digital poder controlar um circuito analógico - um brilho de uma lâmpada ou a velocidade de um motor - há basicamente duas técnicas. A conversão D/A (Digital/Analógico) e a modulação por largura de pulso (PWM). A conversão digital/analógico usa uma quantidade de bits proporcionais à quantidade de gradientes (brilhos, velocidades, etc) que pretendemos ter. Por exemplo, se forem usados 4 bits, temos uma possibilidade de 16 (2^4) gradientes de brilho/rotação, de 0000 a 1111. O problema desta técnica é que quanto mais gradientes você quiser, mais bits são necessários. Já a técnica PWM utiliza apenas um bit. Nela é gerada uma forma de onda quadrada onde o ciclo de carga (tempo em que a forma de onda permanece em "1") define a velocidade/brilho do sistema analógico. Por exemplo, supondo uma forma de onda perfeitamente quadrada, onde 50% do tempo ela está em "0" e 50% do tempo ela está em "1", o resultado final será que a lâmpada terá 50% do seu brilho e um motor 50% de sua velocidade. Se configurarmos esta forma de onda para ficar 30% do seu tempo em "1" e 70% do seu tempo em "0", o resultado será um brilho/velocidade de 30% de sua capacidade total.

Transferência de potência

PWM é também utilizada para variar o valor da transferência de potência entregue a uma carga sem as perdas ocorridas normalmente devido à queda de tensão por recursos resistivos. Em um sistema PWM, a chave de estado sólido (normalmente IGBT, MOSFET ou transistor bipolar usada para controlar o fluxo de corrente: ora não conduzindo corrente, ora conduzindo, mas provocando uma queda de tensão muito baixa; como a potência instantânea dissipada pela chave é o produto da corrente pela tensão elétrica a um dado instante, isso significa que nenhuma potência é dissipada se a chave fosse uma chave "ideal". Com uma taxa de modulação suficientemente elevada, simples filtros RC são freqüentemente utilizados para suavizar o trem de pulsos em uma voltagem analógica estável. Esse método é normalmente empregado no controle de velocidade de motores de corrente contínua.

Os limites de potência de PWM também são empregados em dimmers de luz comuns em habitações. Neste caso, a eletricidade modulada é de corrente alternada (CA). Um simples ajuste na quantidade de luminosidade pode ser implementado estabelecendo-se a que voltagem do ciclo CA o dimmer começa a conduzir a eletricidade à lâmpada (usando um triac). Como o ciclo ativo da modulação é o mesmo que a freqüência da linha, (60Hz no Brasil), o olho humano "enxerga" somente a intensidade média.

Numa Infinidade de aplicações práticas que envolvem desde o controle de potência de motores e outras cargas até fontes chaveadas, a técnica do PWM é empregada.

Saber exatamente como ela funciona é muto importante pra que todos aquelas que trabalham com eletrônica de potência, principalmente os ligados a manutenção e instalação de equipamentos industriais.

2.3. Método de Levantamento Experimental

Para controlar o circuito usamos o microcontrolador PIC6F628, com 18 portas de I/O (Entrada e saída), usando duas portas para conectar o sensor LM75 usando a transmissão I2C, essa transmissão usa apenas duas linhas seriais, umas para dados e outra para o clock.

Conectamos 3 display de segmentos em paralelo no microcontrolador usando o conceito de matriz, assim conseguimos usar um numero menor de portas para controlar a vários display.

Após montarmos o circuito e programarmos o microcontrolador, ligamos o circuito e verificamos que não estava funcionando de acordo com o esperado, pois aparecia valores aleatórios no display. Após alguns testes verificamos que o sinal que estava chegando ao a uma porta de I/O do microcontrolador estava com muito ruído, comprometendo os dados passado pelo sensor LM75. Então colocamos capacitores de 100 NF para atenuar o valor da tensão na saída do sensor , com isso resolvemos o problema.

3. MATERIAL E MÉTODO

3.1. Material Utilizado

Para criar o controle de Temperatura em um microprocessador utilizando como refrigeração um Cooler utilizamos os seguintes componentes digitais:

  • 1 Sensor de Temperatura LM75

  • 1 Microcontrolador PIC16F628

  • 3 Displays de 7 segmentos

  • 1 placa

  • 8 Resistores 220Ω

  • 3 Resistores 1KΩ

  • 2 Resistores 12KΩ

  • 3 Capacitores 100 nF

  • 3 Transistor BC557C

  • 1 Transistor BC337

  • 2 Reguladores de Tensão

4. Descrição do Projeto

Utilizando uma Tomada de 127 V é se utilizado um regulador de Tensão que irá diminuir essa tensão até alcançar um nível de 12 Volts, que irá alimentar o sistema digital. À partir dos 12 volts entrados no Sistema é se utilizado um outro regulador de tensão que irá fazer com que se diminua a tensão até alcançar o patamar de 5 Volts, que estará na faixa tolerável de funcionamento do Circuito a ser utilizado. Os 5 volts entrados irão fazer com que tanto o microcontrolador PIC16F628 e o sensor LM75 de temperatura funcionem adequadamente. Sendo que esse Sensor de Temperatura LM75 retorna pela interface I2C de suas portas de saída o valor binário que corresponde à temperatura atual incidente sobre o ambiente a ser medido, e o microprocessador recebendo essa temperatura à partir da sua porta de entrada e irá controlar a velocidade do cooler usando PWM.

5. CONCLUSÃO

Concluímos que podemos usar os circuitos para controlar a temperatura em varias aplicações, tanto industriais ou ate mesmo em casa, pois se trata de um circuito com um grande custo beneficio. A montagem do circuito não requer muita experiência ou conhecimento, a programação do microcontrolador é facilitada por usar a linguagem JAL que é uma linguagem multiplataforma de alto nível podendo ser programada em Ambiente Linux ou Windows.

Para uma melhor eficiência poderíamos usar esse circuito com mais de um sensor, pois podemos endereçar cada sensor conectado, assim identificaríamos os dados vindos de cada sensor na mesma trilha.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

http://www.100acre.org/elec/lm75/

http://focus.ti.com/mcu/docs/mcusupporttechdocsc.tsp?sectionId=96&tabId=1502&abstractName=slaa259

http://www2.eletronica.org/hack-s-dicas/regulador-lm7805/

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