AQUISIÇÃO DE DADOS ATRAVÉS DO CIRCUITO QUE USA MICROCONTROLADOR PIC UM TERMOPAR TIPOK E SOFTWARES DE SIMULAÇÃO

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR
Campus Ponta Grossa - Paraná - Brasil

Semana de Eletrônica e Automação
SEA 2011


AQUISIÇÃO DE DADOS ATRAVÉS DO CIRCUITO QUE USA MICROCONTROLADOR PIC UM TERMOPAR TIPOK E SOFTARES DE SIMULAÇÃO
Antonio Marcos Rodrigues Fernandes1; Jose Rodolfo Galvão1; Amauri Amorin Assef1; Ricardo Galvão1
Fernandes429@gmail.com, jrodgalvao@hotmail.com, amauriassef@utfpr.edu.br, galvão@utfpr.edu.br
¹Universidade Tecnológica Federal do Paraná ? UTFPR ? Ponta Grossa ? Brasil
Resumo
Este artigo apresenta o projeto de um software e hardware para o desenvolvimento de um sistema de auisição de temperaturas á partir de um termopar tipo K inserido em loco, um circuito eletronico envolvendo o PIC 16F877A, uma saida serial, uma saida para um LCD . O sistema conta ainda com uma interface implementada em BUILDER C++, utilizando o ambiente de programação e compilador MikroC da Mikroeletronica, utilizando tambem para montagem do circuito e simulação o programa Proteus(ISIS). Estes programas foram escolhidos pelas facilidade de manuseio e por possuirem ampla biblioteca que engloba todos os componentes utilizados durante o desenvolvimento da programação e simulação, possuindo ambiente intuitivo, o MikroC foi conhecido mediante pesquisa de um programa que usasse linguagem C, após pesquisas na internet ele foi adotado, sendo comparado com outros ele se sobressaiu por ter um "HELP" altamente explicativo o que contribuiu para um aprendizado mais produtivo. O Proteus é um programa mais conhecido nos meios academicos, foi durante conversas com professores que tomamos conhecimento dele e entao foi adotado, possuindo praticamente todos os atributos necessarios para o projeto que se iniciava, ambinete amigavel, simulação sem complicações e montagem dos circuitos facilitada com ampla biblioteca e ajuda on-line. O PIC 16F877A foi conhecido durante o curso e possui a configuração necessaria para nossa proposta, tambem possui muiatos livros na biblioteca da UTFPR, o que facilitou a implementação do projeto.
Palavras-chave: Temperatura. Termopar. PIC. Simulação. Comunicação RS232.

1. Introdução
2. Sistemas automatizados de aquisição de dados como temperatura, pressão, volume, etc. são amplamente utilizados para monitoração e controle de processos na indústria e na pesquisa acadêmica. Um sistema de aquisição de dados é composto basicamente de um sensor, ou um conjunto destes; uma eletrônica que realiza a conversão do sinal analógico para digital e um computador que recebe estes dados. A aquisição de dados automatizada possibilita economia de tempo e tambem diminuem erros de leitura pela observação humana. O controle de processos industriais exige a monitoração de grandezas como temperatura, pressão, volume, etc. O controle desses parâmetros pode ser efetuado pela leitura direta fornecida pelos aparelhos de medição e posterior confecção de gráficos e tabelas. A limitação desse procedimento está na necessidade do observador consumir um tempo para a leitura periódica da medida e na possibilidade de erros sistemáticos e/ou acidentais cometidos nessa medição. Os sistemas de aquisição automatizada de dados eliminam esses problemas. Estes contam com softwares que auxiliam na análise, monitoramento e tratamento dos dados coletados.

2. Desenvolvimento

A medição e análise da temperatura são fundamentais no cotidiano da indústria, sendo de grande importância para o controle de varios de processos. O tempo é a grandeza mais medida e a temperatura vem em segundo. Praticamente todo processo industrial sofre os efeitos dessa grandezas.
2.1 Sistema de aquisição de dados

O sistema de aquisição de dados foi baseado no modelo anterior usado no laboratorio onde há um destilador que separa substancias de acordo com seu pomto de fusão, onde os dados são coletados por alunos e anotados para posterior calculos.

2.2 Termopar
No caso do sistema esse processo é automatizado atraves da coleta dos dados pelo termopar, que Segundo Borchardt(1979,p.11) "A experiencia mostra que um circuito formado por dois materiais diferentes X e Y é percorrido por uma corrente eletrica "i" se os contatos p e q estejam a temperaturas diferentes T1 e T2, este fenomeno é chamado Efeito Seebeck".
A designação tipo K estende-se a qualquer termopar que tenha dentro da faixa de -140 a 135ºC, as mesmas relações , f.e.m X T(temperatura), dadas na tabela Cromel-Alumel nº. 561 da NBS.
As faixas usuais de trabalho do termopar tipo K é de -18 a 1370ºC, sendo bem quisto para atmosferas oxidantes e em altas temperaturas resiste mais mecanica e termicamente que a platina e tem maior vida que o ferro constantan.
Uma das desvantagens é ser vulneravel à atmosferas redutoras e precisa de proteção quando usado.(Borchardt,1979,p. 66).


Tabela 1
Fonte:Borchardt, 1979.

2.3 LCD( display de cristal liquido)

Um mostrador LCD 16X2 é o local de leitura da temperatura que será fornecida pelo termopar tipo K.
O LCD é alimentado com tensão entre +3 e +5V, cujos pinos usados são descritos a seguir.
Pino 1: tendo por simbolo Vss e função GND(TERRA).
Pino 2: tendo por simbolo Vdd e função de alimentação de +3 e +5V.
Pino 3: tendo por simbolo Vo e função de controle de contraste.
Pino 4: tendo por simbolo RS e define o tipo de informação passada pela comunicaçao paralela.
Pino 5: tendo por simbolo R/W e muda o estado do LCD entre leitura e escrita.
Pino 6: tendo por simbolo E e efetiva a leitura da informação, a qual é feita na borda de descica deste sinal.
Pinos: DB0 a DB7 equivalem ao barramento de dados.
Pinos: A (anode) e K(katode) sao usados para ligação do backligth( iluminação de fundo).

2.4 Escolha do PIC
Um PIC adequado ás necessidades do sistema de aquisição de dados, após pesquisas foi decidido pelo PIC 16F877A e responde sobremaneira á essas necessidades.
O PIC 16F877A da Microchip possui 40 pinos que nos proporciona montar um hardware complexo, conta com 33 portas que podem ser entradas ou saídas, memoria de programação E²PROM FLASH, que permite uma gravação rápida e por varias vezes, sem a necessidade de apaga-lo por meio de luz ultra-violeta.
Possui também memoria interna não-volatil de 256 bytes, comunicação serial:SPI, PC e USART, conversores analógicos de 10 bits e comparadores analógicos entre outras vantagens que o destacou.
A pinagem do PIC 16F877A é vista na figura abaixo.


Fig.1
Fonte:Zanco, 2006.

2.5 Comunicação via RS232
Em uma conexão serial RS-232 há muitos circuitos independentes que usam o mesmo cabo e conector. Há dois circuitos de dados(envio e recepção), eles regulam o fluxo, o terminal e o computador central. (Derfler Jr.,Frank J.,Freed,Les.)
A figura abixo representa o MAX232.


Fig:2
Fonte:www.datalog.org,2011.

2.6 Linguagens de programação
São muitas as linguagens de programação que se pode utilizar num PIC, entre ela a Assembly, C, C++ são as mais utilizadas.
A Assembly consiste em uma forma alternativa de representação dos codigos de maquina usando menmonicos, ou seja, abreviaçoes de termos usuais da operação feita pelos comandos em codigo de maquina. Sendo conhecida por "linguagem de baixo nivel", porque não possui comando, instruçaõ oui função alem daqueles definidos no conjunto do processador utilizado. A linguagem C, por sua vez foi criada em 1972, por Dennis Ritche, e consiste em uma linguagem intermediaria entre Assembly e as de alto nivel. Entao a utilização de C para programar microcontrolares PICs parece uma escolha natural.(Pereira, 2007,pg.15,18)



2.7 Simulador MikroC
A mikroC PRO para PIC é uma poderosa ferramenta de desenvolvimento de recursos
sofisticados para microcontroladores PIC. Ele é projetado para fornecer ao programador a mais fácil possivel solução para desenvolvimento de aplicações para sistemas embarcados, sem comprometer desempenho ou controle.
PIC é o chip mais popular de 8 bits do mundo, usado em uma ampla variedade de aplicações, e C, premiado por sua eficiência, é uma boa escolha para o desenvolvimento de sistemas embarcados. O mikroC PRO para PIC proporciona uma bem-sucedida correspondência com IDE altamente avançado, compilador ANSI compatível, amplo conjunto de hardware, bibliotecas, e documentação completa. A interface do MkroC esta representada na figura abaixo.



Fig:1
Fonte:autoria propria,2011.

2.8 Programa Proteus (Isis)
O software de desenho e simulação Proteus VSM é uma ferramenta útil para estudantes e profissionais
que desejam acelerar e melhorar suas habilidades para do desenvolvimento de aplicações analógicas e digitais.
Ele permite o desenho de circuitos empregando um entorno gráfico no qual é possível colocar os símbolos representativos dos componentes e realizar a simulação de seu funcionamento sem o risco de ocasionar danos aos circuitos.
A simulação pode incluir instrumentos de medição e a inclusão de gráficas que representam os sinais obtidos na simulação.
O que mais interesse despertou é a capacidade de simular adequadamente o funcionamento dos microcontroladores mais populares (PICS, ATMEL-AVR, Motorola, 8051, etc.)
Também tem a capacidade de passar o desenho a um programa integrado chamado ARES no qual se pode levar a cabo o desenvolvimento de placas de circuitos impressos. (Bermúdez,Arturo S, 2011).
O desenho do circuito, seu funcionamento e a simulação foi feita no programa Proteus (ISIS). Na figura abaixo encontra-se o desenho do circuito.


Fig:2
Fonte:autoria propria,2011

3.0 Descrição do Circuito
O termopar tipo K, suas caracteristicas e tabela estão citados no item 2.2, ele tem a função de aferir a temperatura das amostras colocadas in loco em um forno ou qualquer outro local que necessite medir a temperatura.
Como pode ser observado na figura acima o termopar tipo K esta conectado ao componente MAX6675 que possui algumas caracteristicas que facilitou a comunicação com o PIC, abaixo está citado delas.

3.1 MAX6675
O MAX6675 realiza compensação de junção fria
e digitaliza o sinal de um termopar tipo-K.
Este conversor resolve temperaturas a 0,25 ° C, permite
leituras como exposições elevadas como 1024 º C, e precisão do termopar de 8LSBs para temperaturas variando de:
0°Ca700°C.

O MAX6675 está disponível em um pacote de 8 pinos é
usado na area industrial, eletrodomesticos, HVAC, automoveis, faz a conversão direta Digital do tipo K, 12-Bit,0,25°C.
CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS:

(VCC = 3,0 V a 5,5 V, TA = -20 ° C a 85 ° C )
Impedância
60kW .
A figura abaixo representa o MAX6675 com respectivas pinagens.


Fig3:MAX6675
Fonte:www.datasheetcatalog.org



Fig:4 MAX6675
Fonte:autoria propria


O PIC citado no item 2.4 está representado na foto abaixo.


fig:4 PIC 16f877A
Fonte:autoria propria,2011

O circuito já montado no protoboard, com o cristal oscilador, o modulo LCD 16X2 componentes esses que serão abordados a seguir.

3.2 CRISTAL OSCILADOR
Os cristais são os osciladores mais precisos, porém são tambem os mais caros. O PIC possui internamente o sistema de oscilação do cristal, e pode ser ligado, diretamente aos pinos OCS 1 e OSC 2 do microcontrolador PIC, usando capacitores para estabilizar.
O oscilador start-up fornece um delay de 1024 ciclos de cristal, apos o PWRT para iniciar a execução. É importante para garantir que o oscilador já esteja operando e estavel quando o software começar a ser executado(Souza,2006, p.270).
O PIC 16F877A pode operar com quatro tipos diferentes de osciladores:
? LP- Cristal de baixa potencia
? XT- Cristal/ Ressonador
? HS- Cristal/ Ressonador de alta frequencia
? RC- Oscilador R0043
A figura representa o oscilador usado no projeto.



Fig:5
Fonte:autoria propria,2011


3.3 O modulo LCD
O LCD 16X2( 16 linhas e 2 colunas) é alimentado com tensão entre +3 e +5V, será descrito apenas os pinos usados no projeto por questoes de praticidade.
Pino 1: tendo por simbolo Vss e função GND(TERRA).
Pino 2: tendo por simbolo Vdd e função de alimentação de +3 e +5V.
Pino 3: tendo por simbolo Vo e função de controle de contraste.
Pino 4: tendo por simbolo RS e define o tipo de informação passada pela comunicaçao paralela.
Pino 5: tendo por simbolo R/W e muda o estado do LCD entre leitura e escrita.
Pino 6: tendo por simbolo E e efetiva a leitura da informação, a qual é feita na borda de descida deste sinal.
Pinos: DB0 a DB7 equivalem ao barramento de dados.
Pinos: A (anode) e K(katode) sao usados para ligação do backligth( iluminação de fundo).
Abaixo esta representado o LCD 16X2.





Fig:5
Fonte:autoria propria



4. MONTAGEM NO PROTOBOARD
A montagem no protoboard foi uma etapa em que o circuito foi testado na prática, e corrigido algumas falhas, as ligações dos fios aos componentes foram posicionadas mais adequadamente.
Abaixo está a foto do circuito montado no protoboard.



Fig:6
Fonte:autoria propria

5. A gravação do programa no PIC
Para o programa elaborado e simulado nos programas citados anteriormente, ainda tem que se fazer a gravação no PIC, foi optado pela compra do componente via internet, como aconteceu com a maioria dos componentes, é o meio mais facil, ja que nao foi encontrado esses componentes nas lojas da cidade.
O gravador de PIC JDM Extreme Serial de baixo custo, grava PIC?s de 8,14,18,28,40 pinos diretamente e de opuotras pinagens atraves do conector ICSP, vem com CD contendo varios aplicativosm compiladores, manuais, apostilas.

5.1 Proceso de gravação
Faz-se o programa, compilou-se e gerou o arquivo *.hex, simula-se o circuito eletronico no programa neste caso o Proteus, segue-se para a gravação propriamente dita, transferindo o arquivo *.hex para a unidade gravadora.
Usando o gravador JDM Extreme, utilizar-se-á o software de gravador ICPROG, cuja figura encontra-se abaixo.



Fig:7
Fonte:IC-Prog- Pprototype Programer

O gravador é o hardware, que vai converter os impulsos eletrônicos ativados pelo software gravador (ic-prog) na porta serial/paralela para os pinos do microcontrolador. Esta gravação é feita de forma serial, ou seja após codificar os comandos em números hexadecimais, agora transcodificamo-os em impulsos elétricos seriais para a gravadora, que vai atingir os níveis de tensões necessarios
para possibilitar a transferência dos códigos para dentro da memória de dados do PIC.(Trevisan, Pedro V,2010)

A figura do gravador JDM Extreme é mostrada abaixo.


Fig:8
Fonte: Robotica Simples,2011




3. Conclusão
Foi apresentado neste artigo um software de aferição de temperatura através do termopar tipo K, juntamente com um circuito eletronico programado no PIC 16F877A, mostrado a temperatura num visor LCD 16X2, enviado esses dados via RS 232 para um computador e posteriormente implementou-se um hardware em protoboard, sendo o mesmo testado e para o a interface no computador está sendo desenvolvido nio Builder C++ o programação para um visual mais agradavel e intuitivo onde possam ser analizados essas temperaturas para posterior estudos nos laboratorios academicos.
Referências
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SOUZA, Davi José de. Conectando o PIC 16F877A: Recursos avançados. São Paulo: Érica, 2003.

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Zanco, Wagner da Silva. Microcontroladores PIC: Técnicas de software de Hardware para projetos de circuitos eletrônicos com base no PIC 16F877A. São Paulo: Érica, 2006.






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