Post on 01-Oct-2018
LUIS HENRIQUE FERNANDES
PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA
FONTE MICROCONTROLADA DE ALTA TENSÃO E DIMINUTAS
DIMENSÕES COM INTERFACE COMPUTACIONAL ATRAVÉS DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO
USB
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado à Escola de Engenharia de
São Carlos, da Universidade de São Paulo
Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em
Sistemas de Energia e Automação
ORIENTADOR: Valentin Obac Roda
São Carlos
2007
2
Sumário
Dedicatória
Agradecimentos
Resumo
3
4
5
Abstract
1. Introdução
1.1. Eletroforese Capilar
1.2. Instrumentação
1.3. Fonte de alta tensão
2. Desenvolvimento
2.1. Microfontes
2.2. Circuito de alimentação para as microfontes
2.3. Conversor digital/analógico
2.4. Circuito de medida da corrente
2.5. Microcontrolador
2.6. IHM
2.7. Hardware
2.8. Fonte de alimentação
2.9. Protocolo de comunicação
2.10. Programação do firmware
2.11. Características gerais do equipamento
2.12. Software de interface
3. Resultados
4. Conclusão
5. Referências bibliográficas
6
7
7
8
9
11
11
12
13
13
14
16
17
18
21
22
22
23
24
25
26
3
Dedicatória Dedico este trabalho aos meus queridos pais Josué e Roseli e a meu irmão
Renato pela inestimada ajuda afetiva e financeira em todos os momentos da minha vida
e ao meu grande amor Cinthia, que me ensinou o que é a felicidade.
4
Agradecimentos
Agradeço a todos os professores pelo companheirismo e pelo aprendizado
nestes cinco anos. Especialmente aos professores Veronese e Sartori pela ajuda com
este trabalho. Agradeço aos amigos Cabeça, Velinho, Farelo, Tonho, Mori, Bicudo,
Cabelinho, Panosso e Peninha pela troca de experiências, pela força nas horas difíceis
e pelas cervejas no CAASO. Por fim, agradeço a todo o pessoal do Laboratório de
Cromatografia pela convivência nos dois anos de iniciação científica, especialmente ao
Renê pelo companheirismo e parceria no projeto e a meus orientadores Emanuel
Carrilho, Nilson Assunção e Valentin Obac Roda por me incentivarem e acreditarem
neste projeto.
5
Resumo
Fontes de alta tensão em corrente contínua são largamente utilizadas como
gerador de campo elétrico nos mais variados tipos de aplicação. Como exemplo, pode-
se citar o seu uso em impressoras, máquinas geradoras de raio X, em dispositivos
piezelétricos e como gerador de diferença de potencial elétrico em análises
eletroforéticas. Dessa maneira, é encontrada uma grande variedade de fontes de alta
tensão no mercado. Porém, as fontes comerciais existentes têm grande dimensões,
custo muito elevado e na sua maioria só possuem controle e monitoramento analógicos,
tornando-as pouco práticas quando utilizadas em ensaios repetitivos que necessitem de
automatização. Este trabalho propõe a construção de uma fonte microcontrolada, de
diminutas dimensões, que possua todo o seu controle e monitoramento feito através de
interface computacional e que tenha custo bem menor do que as fontes comerciais
analógicas. Além disso, a comunicação via USB e o software de interface da fonte
desenvolvido em linguagem Java poderão conferir portabilidade e rapidez de
configuração ao equipamento. Como prova de sua eficácia, o equipamento será
ensaiado e comparado com os resultados obtidos de uma fonte comercial amplamente
utilizada.
Palavras-chave: Fonte de alta tensão, Microcontroladores, USB, PIC, Conversor
DC/DC, Eletroforese Capilar
6
Abstract
High voltage suppliers with direct current are widely used as electric field
generator in the most varied types of applications, at example in printers, x-ray
machines, piezoelectric devices and in electrophoretical analysis. Thus, there are a large
variety of suppliers in the market, but they are big and have high costs, besides they
have just analogical control and monitoring, making them less practical when used in
repetitive experiences that needs automation. This work proposes the construction of a
micro-controlled high voltage supplier with small dimensions, digital control and
measurement and smaller costs than commercial analogical suppliers. Moreover, the
USB communication protocol and the interface software developed in JAVA gives
portability and speed of the equipment configuration. As proof of its effectiveness, the
equipment will be tested and compared with those obtained from a analogical and
commercial supplier widely used.
Keywords: High Voltage supplier, Microcontrollers, USB, PIC, DC/DC converter,
Capillary Electrophoresis
7
1. Introdução
1.1. Eletroforese Capilar
O fenômeno denominado eletroforese é definido como sendo a migração de
espécies carregadas eletricamente, que ocorre quando as mesmas são dissolvidas ou
suspensas em um eletrólito, através do qual uma corrente elétrica é aplicada. Esta
técnica de separação foi desenvolvida pelo químico Arne Tiselius para o estudo de
proteínas em soro e por este trabalho ele ganhou o prêmio Nobel em 1948 [1].
Este método, denominado solução livre, era bastante limitado devido à
instabilidade do aparelho, e mais significativamente, pelos efeitos de difusão e
aquecimento gerados pelo campo elétrico, os quais comprometiam a resolução (a
separação) dos compostos. Estes efeitos foram minimizados com a introdução de
suporte (gel ou papel) que ajudou a conter o movimento livre dos analitos, de forma que
o efeito da difusão fosse diminuído. Entretanto este sistema oferecia um baixo nível de
automatização, tempos de análise longos e, após a separação, a detecção era feita
visualmente.
A eletroforese capilar (EC) é uma técnica que foi introduzida em 1981, por
Jorgenson e Lukacs e tem sido cada vez mais aceita como um importante método
analítico. Em sua forma mais simples a EC é uma aproximação da técnica original,
descrita por Tiselius, porém emprega-se um tubo capilar preenchido com um eletrólito,
conforme o próprio nome sugere.
A eletroforese capilar (EC) é uma técnica aplicável na determinação de uma
grande variedade de amostras, incluindo hidrocarbonetos aromáticos, vitaminas hidro e
lipossolúveis, aminoácidos, íons inorgânicos, ácidos orgânicos, fármacos,
catecolaminas, substâncias quirais, proteínas, peptídeos e muitos outros. Uma
característica que difere a EC das outras técnicas é a sua capacidade única para
separar macromoléculas carregadas eletricamente de interesse tanto em indústrias de
biotecnologia quanto em pesquisas biológicas. Por exemplo, o projeto Genoma
Humano, que foi concluído recentemente, teve como meta obter a seqüência completa
do DNA humano e para isso foi necessário distinguir os diversos polinucleotídeos, com
massas molares por volta de 200 a 500 Daltons (Dalton = u.m.a.) que diferiam entre si
por um único nucleotídeo. Somente a EC tem resolução suficiente para este tipo de
separação. Além disso, o DNA humano contém cerca de 3 bilhões de nucleotídeos e as
8
altas velocidades de análises, obtidas pela EC, permitiram que milhares de nucleotídeos
fossem seqüenciados em um único dia. [1]
1.2. Instrumentação
Geralmente o funcionamento de um equipamento de eletroforese capilar - EC
(Figura 1) envolve a aplicação de alta tensão, tipicamente 1 a 30 kV em um capilar de
diâmetro reduzido, gerando correntes na faixa de 1 a 1000 µA. O uso do capilar
apresenta várias vantagens, particularmente com respeito ao aquecimento Joule.
A alta resistência elétrica do capilar permite a aplicação de campos elétricos
altos pois gera um aquecimento mínimo, além disso o formato de capilar propicia uma
dissipação eficiente do calor gerado.O uso de campos elétricos altos resulta em tempo
de análise curto, alta eficiência e resolução.
Na eletroforese capilar, o capilar é preenchido com uma solução tampão e suas
extremidades são mergulhadas em recipientes, que contém a solução tampão, e onde é
aplicado um campo elétrico, que gera uma corrente no interior do capilar. Os eletrodos
são feitos de um material inerte, tal como, platina, e são também mergulhados na
solução para fechar o circuito. O capilar passa através de um detector, usualmente um
detector espectrofotométrico de absorção no UV/Vis.
Figura 1 – Ilustração de um sistema de eletroforese capilar (EC).
9
Uma pequena quantidade de amostra é introduzida em uma das extremidades
do capilar. A aplicação do campo elétrico provoca o movimento dos analitos em direção
aos eletrodos. As separações em EC são baseadas na presença de um fluxo
eletricamente induzido, denominado fluxo eletro-osmótico (FEO), um fenômeno
eletroforético que gera o fluxo da solução dentro do capilar, que faz com que os solutos
se movimentem em direção ao detector. Este fluxo pode reduzir significativamente o
tempo de análise ou forçar um íon a reverter a sua tendência de migração em direção a
um eletrodo, pelo qual está sendo atraído, devido ao sinal de sua carga. O gráfico
gerado pelo detector, tempo em função de resposta do detector, é denominado
eletroferograma (Figura 2) [2].
Figura 2 – Eletroferograma típico para uma análise de eletroforese Capilar (CE).
1.3. Fonte de alta tensão
A tendência para inovação nas análises de eletroforese capilar tem sido o
desenvolvimentos de tecnologias para conferir portabilidade e automatização aos
equipamentos e ao sistema como um todo para que seja possível realizar essas
análises em campo, fora dos laboratórios. Para tanto, é necessário diminuir o tamanho
dos equipamentos e facilitar as análises no âmbito operacional. Abaixo (figura 3)
podemos observar um sistema de eletroforese capilar (EC) portátil.
Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma parte fundamental dos sistemas
de eletroforese capilar segundo essas novas tendências: a construção de uma fonte de
alta tensão de pequenas dimensões totalmente controlada por um computador.
10
Pequenas dimensões conferem portabilidade e o controle computacional confere a
automatização necessária.
Figura 3 – Sistema de Eletroforese Capilar (EC) portátil.
Para o sistema proposto, foram definidas as características técnicas da fonte de
alta tensão (Tabela 1).
CARACTERÍSTICA FAIXA
Tensão 1kV a 6kV
Corrente máxima 160μA
Linearidade no ajuste de tensão e corrente <2%
Resolução de ajuste de tensão <20V
Resolução de ajuste de corrente <1μA
Resolução de leitura da tensão <20V
Resolução de leitura da corrente <1μA
Velocidade de atualização de controle e monitoramento <1ms
Tabela 1 – Características técnicas requeridas para a fonte de alta tensão.
11
O elemento elevador de tensão (conversor DC/DC) será um componente
comercial. Portanto, o trabalho será mais focado no desenvolvimento do circuito de
alimentação, controle e monitoramento desse componente. Será utilizado um
microcontrolador para controlar todo o equipamento e se comunicar com a interface
computacional. Como interface, será desenvolvido um software multiplataforma na
linguagem de programação Java para se comunicar com a fonte. Esse software será
capaz de traçar em forma de gráfico o comportamento das tensões e das correntes
durante o periodo de aquisição, além de disponibilizar esses dados na forma de uma
tabela de dados acessível a qualquer outro software para futuras análises dos dados
obtidos.
Pensando na versatilidade do uso do equipamento, será desenvolvido uma
interface homem-máquina (IHM) com teclado e display para a operação do
equipamento quando desconectado do computador.
2. Desenvolvimento
2.1. Microfontes Inicialmente foram adquiridos dois elementos conversores de tensão em
corrente contínua da fabricante EMCO HIGH VOLTAGE CORPORATION, o Q30-5 com
saída de 0 a 3kV e o Q30N-5 com saída de 0 a -3kV. Ambos os componentes podem
ser alimentados por tensões em corrente contínua de 0 a 5V, sendo as suas saídas
aproximadamente lineares em relação às entradas a partir de 0,7V de entrada, que é a
mínima tensão de alimentação do circuito comutador interno do conversor. O ganho
para estes dois conversores comutados é de aproximadamente 600 vezes e possuem
corrente máxima de saída de 160µA.
Esses componentes elevadores de tensão foram escolhidos pela
compatibilidade dos valores de tensão e corrente em relação ao necessário em análises
eletroforéticas, pela facilidade de alimentação e controle e pelo seu tamanho reduzido,
que irá conferir diminutas dimensões ao equipamento final. Cada fonte tem dimensões
de 1,27 x 1,27 x 1,27 cm e pesa cerca de 4,25 gramas (Figura 4).
O fator de ondulação para este componente é menor que 0,5%. Ele possui
proteção para curto-circuito e isolação entre entrada e saída. A corrente de alimentação
com máxima carga é de 200mA e a freqüência de comutação do circuito interno pode
variar entre 100kHz a 225kHz.
12
Figura 4- Microfontes.
2.2. Circuito de alimentação para as microfontes
Como a tensão de alimentação também é a tensão de controle das microfontes,
foi necessário utilizar um driver de corrente para alimentar cada uma delas. Esse driver
foi construído utilizando-se um amplificador operacional de potência, o OPA547 da
Texas Instruments. Este amplificador tem corrente máxima de saída de 500mA. O
amplificador foi alimentado com tensões de +12V e -12V, pois como não é rail to rail, se
fosse alimentado com 0V e 12V, sua saída nunca chegaria a 0V, tensão necessária
para desligar as microfontes com segurança. O amplificador foi montado na
configuração seguidor de tensão. Há um circuito limitador de corrente no amplificador
operacional (Figura 5) que foi utilizado para eliminar possíveis problemas de sobre-
corrente no circuito. Através de um potenciômetro, a máxima corrente foi ajustada para
200mA, corrente máxima requisitada pelas microfontes em operação normal.
R21 20k VDD
C25100nF
R24
POT_10k
13
2
ALIMENTAÇÃO_MICROFONTESCONVERSOR_D/A
OPA547
4
2
3
5
16
7
V-
V_IN-
I_LIM
V+
V_IN+V_O
E/S
C22
100nF
Fig. 5- Configuração de montagem do amplificador operacional OPA547.
13
2.3. Conversor digital/analógico
Para regular a tensão das microfontes a partir de um sinal digital proveniente da
interface computacional foi necessário o uso de um conversor digital / analógico. Neste
projeto, utilizamos o conversor D/A (digital/analógico) de 8bits TLC7226 (Figura 6). Esse
componente integrado tem 4 saídas independentes e interface paralela de
comunicação. Neste projeto utilizou-se duas saídas, uma para cada microfonte. O sinal
de tensão varia de 0 a 5V em passos de 19,5mV. Esta tensão é enviada ao driver de
corrente, que possui ganho 1, e depois entregue às microfontes com a corrente
necessária, pois a saída do conversor D/A possui alta impedância e não é suficiente
para alimentá-las.
Figura 6 - Conversor digital analógico TLC7226CDW.
2.4. Circuito de medida da corrente de alimentação das microfontes
Neste projeto, é de fundamental importância o monitoramento da corrente
fornecida pelas microfontes. Porém, a medição da corrente na lado de alta tensão das
microfontes é quase impossível, uma vez que ao altos valores de potencial não são
suportados pelos circuitos de medição. Como saída para esse problema, foi instalado
um circuito de medição na entrada das microfontes, onde o nível de tensão varia de 0 a
5V. O circuito consiste basicamente de um resistor de baixa resistência (0,1 Ohm) e de
um circuito integrado multiplicador de tensão, o MAX4377 da Maxim. Assim, a corrente
14
consumida pela microfonte passa pelo resistor de baixa resistência e gera uma
diferença de potencial proporcional à esta corrente.
Essa pequena diferença de potencial sobre o resistor é então multiplicada por
100 pelo circuito integrado MAX4173 e depois lida por um conversor A/D
(analógico/digital). Como a microfonte entrega no máximo 160µA e consome no máximo
200mA, teremos sobre o resistor a tensão máxima de (200m x 0,1Ohm) 20mV. Uma vez
que o circuito integrado multiplica a tensão por 100, a máxima tensão de saída será de
2V.
Q30-5
3
412
HVOUT
RTN+IN-IN
+SH
UN
T1
C13100nF/25V/c
MEDIDOR DE CORRENTE
-SHUNT1
C20
100nF
MAX4377
8
6
2
4
5
13
7
VC
C
RS2-
RS1- GN
D
RS2+
OUT1RS1+
OUT2
+SHUNT2
Q30N-5
3
412
HVOUT
RTN+IN-INC23
100nF
ALIMENTAÇÃO_MICROFONTE_2
GND
+HVOUT
ALIMENTAÇÃO_MICROFONTE_1
-SH
UN
T2
C1410uF/25V/t
-SHUNT2
+SH
UN
T2
SHUNT 0R1GND
C12
1nF/25V/cC19
100nF
C24
100nF
AD1_PIC+SHUNT1
VCC
-HVOUT
-SH
UN
T1
AD2_PIC
SHUNT 0R1
Fig. 7- Circuito de medição da corrente consumida pelas microfontes.
Medindo-se a corrente que a microfonte consome, sabendo-se a relação de
transformação de tensões e a tensão ajustada, pode-se calcular a corrente de saída das
microfontes com precisão de aproximadamente 0,8µA.
2.5. Microcontrolador
Foi escolhido o microcontrolador PIC18F4550 da Microchip para controlar todo o
equipamento e se comunicar com a interface computacional pelos motivos listados
abaixo [4]:
• Comunicação USB;
• Grande número de pinos e funções (40);
• Conversores A/D de 10 bits;
• Memória de programa grande (32Kb);
• Programação em linguagem C;
15
• Possibilidade de reprogramação através de bootloader pela USB.
Neste equipamento, o microcontrolador é responsável por:
• Se comunicar com a interface computacional através de comunicação
USB e protocolo desenvolvido;
• Adquirir sinal referente à corrente consumida pelas microfontes através
de conversores analógico/digital;
• Controlar tensão das microfontes;
• Controlar Leds indicadores de estado do equipamento;
• Ler dados do teclado da IHM;
• Controlar display da IHM.
O microcontrolador foi montado com um cristal de 20MHz, requisito para que a
comunicação USB funcione corretamente. No seu circuito (Figura 8), há duas chaves
que servem para reinicia o microcontrolador ou colocá-lo em modo de programação.
Uma das preocupações no projeto foi com a filtragem do sinal de alimentação, já que a
fonte utilizada é chaveada. Por este motivo foi utilizado um grande número de
capacitores desacopladores.
RB7
R3
10k
R10
10k
RB1
RE0
PIC18F4550
RE1
RB3
RC1
RD3
RB0
C910nF/50V/c
PIC-5V
RA0
RD1
RC7
RD5
RC2R6
10k
C6
100nF/50V/c
PIC-5V
USBB2
RA1
VCC
RA5
USBB3 R9
10k
C1
22pF/50V/c
C710uF/25V/e
R11
10k
RB5
R7
10k
Y120Mhz
RD0
C10100nF/50V/c
PIC-5V
R5
560R
SW2
12
RC0
U1 PIC18F4455-I/P
3334353637383940
1516171823242526
1920212227282930
234567
89
10
11 32
12 31
13
14
1
RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDARB1/AN10/INT1/SCK/SCL
RB2/AN8/INT2/VMORB3/AN9/CCP2/VPO
RB4/AN11/KBI0/CSSPPRB5/KBI1/PGMRB6/KBI2/PGCRB7/KBI3/PGD
RC0/T1OSO/T13CKIRC1/T1OSI/CCP2/UOE
RC2/CCP1/P1AVUSB
RC4/D-/VMRC5/D+/VPRC6/TX/CK
RC7/RX/DT/SDO
RD0/SPP0RD1/SPP1RD2/SPP2RD3/SPP3RD4/SPP4
RD5/SPP5/P1BRD6/SPP6/P1CRD7/SPP7/P1D
RA0/AN0RA1/AN1RA2/AN2/Vref -/CVREFRA3/AN3/Vref +RA4/T0CKI/C1OUT/RCVRA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT
RE0/AN5/CK1SPPRE1/AN6/CK2SPPRE2/AN7/OESPP
Vdd
Vdd
Vss
Vss
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT/RA6
MCLR/Vpp/RE3
C81nF/50V/c
SW1
1 2
RD4
RD6
C111uF/25V/e
R13
10k
RD2
RD7RE2
C3
22pF/50V/c
RC6
RB6
C5470nF/50V/c
R14
10k
RA4
R8
10k
RB2
R4
39k
PIC-5V
PIC-5V
C4100nF/50V/c
16
Figura 8 - Circuito de ligação do PIC.
2.6. IHM
O equipamento possui uma interface computacional e uma IHM (Interface
homem-máquina). A IHM é constituída por um teclado de 6 teclas e por um display alfa-
numérico de 2x16 dígitos. Para economizar o uso dos pinos do microcontrolador, o
circuito do teclado foi projetado em forma de matriz (Figura 9). Assim, teve-se a
economia de um pino em relação ao modo normal de ligação [5].
Chave
SW31 2
Chave
PIC_RE2
SW41 2
PIC_RC6
PIC_RE0
Chave
PIC_RE1
SW21 2
PIC_RC7Chave
SW11 2
Chave
SW61 2
Chave
SW51 2
Figura 9 - Circuito de ligação do teclado ao microcontrolador.
Neste modo de ligação, é necessário desenvolver um procedimento em firmware
onde dois sinais em forma de pulso complementares são aplicados nos pinos RC6 e
RC7 e são comparados com os sinais lidos nos pinos restantes. Assim, é possível saber
qual tecla está sendo pressionada.
O display foi ligado ao microcontrolador através de um shift register, circuito
integrado 74HC164 da Fairchild, onde a informação a ser mostrada no display chega de
forma serial através de 3 pinos (Figura 10). Assim, economizou-se 7 pinos em relação à
ligação em paralelo.
17
DB7
DB1
VCC
RB0
POT 10K
1 3
2
RS
DB3
100nF/50V/c
74HC16412
8
9
345610111213
147
AB
CLK
CLR
QAQBQCQDQEQFQGQH
VC
CG
ND
VCC BACK
DB2
10K
DB0
47R 2W
VCC
VoVCC
RB2
DB5DB6
DB4
DISPLAY
ERB1
Figura 10 - Circuito de ligação do display.
2.7. Hardware
O hardware foi primeiramente projetado esquematicamente (Figura 11) e depois
desenvolvido através do software ORCAD 9.1 (Figura 12 e 13). A placa do circuito
(Figura 14) foi construída por uma fresadeira, que utiliza o software CircuitCam 3.1 para
importar os arquivos do ORCAD e configurar a máquina.
18
Figura 11- Diagrama do hardware.
2.8. Fonte de alimentação
Foi utilizada uma fonte chaveada comercial para alimentar o equipamento. A
fonte entrega tensões DC de +12V e -12V com capacidade de 2 amperes por saída. No
equipamento foi instalado um regulador de tensão de 5 volts, uma vez que alguns CI’s
necessitam desse nível de tensão. Também foram instalados capacitores para filtrar as
tensões de alimentação, evitando assim possíveis ruídos e interferências provenientes
da fonte chaveada.
19
C111uF/25V/e
D+
12
13
14
18
5
16
17
4
6
15
3
719
8
209
1
10
2
11
DB2
DB1
DB0
V_
DD
AG
ND
A1
A0
REF
DG
ND
WR*
V_S
S
DB7OUTD
DB6
OUTCDB5
OUTB
DB4
OUTA
DB3
FONTE HV
RSRE0
VCC
-HVOUT
RC7
VDD
RE2
VDDVDD
C5470nF/50V/c
R151K
DB1
VCC BACK
RC0
C3
22pF/50V/c
RA4
RTN
CONECTOR LCD
345678910111213
12
14
DB3
RD0
VCC
-SH
UN
T2
R23
POT_10k
13
2
C4100nF/50V/c
RB0
AMP2
R10
10k
LED
DB1
USBB2
RD4
U1 PIC18F4455-I/P
3334353637383940
1516171823242526
1920212227282930
234567
89
10
11 32
12 31
13
14
1
RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDARB1/AN10/INT1/SCK/SCL
RB2/AN8/INT2/VMORB3/AN9/CCP2/VPO
RB4/AN11/KBI0/CSSPPRB5/KBI1/PGMRB6/KBI2/PGCRB7/KBI3/PGD
RC0/T1OSO/T13CKIRC1/T1OSI/CCP2/UOE
RC2/CCP1/P1AVUSB
RC4/D-/VMRC5/D+/VPRC6/TX/CK
RC7/RX/DT/SDO
RD0/SPP0RD1/SPP1RD2/SPP2RD3/SPP3RD4/SPP4
RD5/SPP5/P1BRD6/SPP6/P1CRD7/SPP7/P1D
RA0/AN0RA1/AN1RA2/AN2/Vref -/CVREFRA3/AN3/Vref +RA4/T0CKI/C1OUT/RCVRA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT
RE0/AN5/CK1SPPRE1/AN6/CK2SPPRE2/AN7/OESPP
Vd
d
Vd
d
Vss
Vss
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT/RA6
MCLR/Vpp/RE3
RA1
DB0
DB7
10K
D4
ZENER 5
21
CONECTORES
RD2
-SHUNT1
JP1
MAX4377
1
2
3
4
5
67
8
VCC
RE2RC2
RA0
R4
39k
R18 20k
C710uF/25V/e
C16100nF/25V/c
J3
CON VAZIO
12345
RC1
R20 20k
RD1
RD1
RC7
VCC
VCC
Q30-5
3
412
HVOUT
RTN+IN-INC20
100nF
PIC18F4550
R7
10k
27.775k
RB1
VCC
P1SHUNT 0R01
12
DB2
R14
10k
C21
100nF
C1410uF/25V/t
RS
C18
100nF
MEDIDOR DE CORRENTE
AMP1
+SHUNT2
-SH
UN
T1
R5
560R
DB4
E
OPA547
4
2
3
5
16
7
V-
V_IN-
I_LIM
V+
V_IN+V_O
E/S
RB6
DB6+SH
UN
T2
DB4
DB2
C23100nF
C6
100nF/50V/c
POT 10K
1 3
2
RE0
R161K
VDD
PIC-5V
Q30N-5
3
412
HVOUT
RTN+IN-IN
C13100nF/25V/c
RD4
RC6
VCC
RB7
GND
R610k
PIC-5V
RA4
Y120Mhz
+HVOUT
CONVERSOR D/ATLC7226CDW
D-
J4
CON ALIMENTAÇÃO
123
74HC16412
8
9
345610111213
14
7
AB
CLK
CLR
QAQBQCQDQEQFQGQH
VC
CG
ND
C10100nF/50V/c
RA0
RB5
-SHUNT2
47R 2W
AMP1
D5
ZENER 12
21
DB6
RC1
RB3100nF/50V/c
RE1
RC6
RB2
RB7
VCC
SW1
1 2
C12
1nF/25V/c
PROTECÃO
RB1
RTN
SW2
12
VCC
D1LED AB
V0
R171K
RD5
C1710uF/25V/t
R8
10k
RD7
C25100nF
Vo
C1
22pF/50V/c
R11
10k
PIC-5V
CONECTOR TECLADO
1234567
RE0RE1RE2RC2RC6RC7VCC
VCC
VDD
RD5
AMP2
P2SHUNT 0R01
12
RD0
27.775k
C22
100nF
E
DISPLAY
USBB3
D3LED AB
DB5
R13
10k 47R 2W
RA5
RD3
RD7
RD2
VDD
RC0
RA1
RD6
RC2
C19100nF
RB2
+SH
UN
T1
C15
1nF/25V/c
OPA547
4
2
3
5
16
7
V-
V_IN-
I_LIM
V+
V_IN+V_O
E/S
VCC BACK
RB0
+SHUNT1
PIC-5V
DB0
R19
POT_10k
13
2
RD3
RD6
PIC-5V
DB7
RE1
47R 2W
AMPLIFICADORES
DB5
C910nF/50V/c
DB3
R9
10k
C24100nF
R3
10k
RB6
D2LED AB
C81nF/50V/c
RB5
RA5
VCC
JS1
CON USB-B FÊMEA
13
24
13
24
Figura 12- Esquemático do hardware.
21
2.9. Protocolo de comunicação
Para que o equipamento se conectasse ao computador e mantivesse
comunicação com o software, foi necessário desenvolver um protocolo. Para enviar um
comando ao equipamento deve-se enviar 2 bytes, sendo que os dois primeiros bits do
primeiro byte (Tabela 2) são utilizados como marcador (01 para indicar início de um
comando) e os outros 6 bits para indicar o próprio comando (Tabela 3), e o segundo
byte para passagem do parâmetro do comando. O retorno é feito através de 2 bytes
com os valor da tensão e de mais 2 bytes com o valor da corrente em cada microfonte.
Envio:
Byte de comando
7 6 5 4 3 2 1 0
Tabela 2 – Byte de comando.
• Para retorno do status do equipamento, deve ser enviado o byte 0xFF
(11111111). O microcontrolador enviará o valor da tensão em 10bits (2 bytes) e
o valor da corrente em 10 bits (2 bytes), sendo os últimos 6 bits do segundo byte
o cheksum.
• Para realizar o teste de comunicação, deve ser enviado o byte 0x1B (00011011).
O microcontrolador retornará o byte 0x0F (00001111) para teste realizado com
sucesso.
• Demais comandos:
7 6 5 4 3 2 1 0 COMANDO CÓDIGO
0 1 0 0 0 0 0 0 Desliga fontes 64
0 1 1 0 0 0 0 0 Fontes acopladas 96
0 1 0 1 0 0 0 0 Fontes desacopladas 80
0 1 0 0 1 0 0 0 Seta tensão + 72
0 1 0 0 0 1 0 0 Seta tensào - 68
0 1 0 0 0 0 1 0 Seta corrente + 66
0 1 0 0 0 0 0 1 Seta corrente - 65
Tabela 3 – Comandos do protocolo.
22
2.10. Programação do firmware
Todo o firmware foi desenvolvido em linguagem C através do software MPLab e
do compilador C18 [3]. Uma grande facilidade conseguida para a programação foi o uso
de um bootloader fornecido pela própria Microchip. O bootloader é um firmware que
possibilita reprogramar o microcontrolador sem tirá-lo do seu circuito e sem utilizar um
equipamento programador, utiliza-se somente o software de programação e a
comunicação USB.
2.11. Características gerais do equipamento
Há duas maneiras de controlar o equipamento: através de um software via
comunicação USB ou através de sua IHM. Quando o cabo da comunicação USB não
está conectado a um computador, a IHM comanda o equipamento. Quando o cabo é
conectado, automaticamente a IHM é desativada, só permanecendo o controle via
software.
A saída de alta tensão possui dois bornes para o terra, que estão interligados, e
um borne para cada uma das duas microfontes (Figura 15). O controle das microfontes
é independente, podendo ser ajustados diferentes valores de tensão ou corrente para
cada uma. As duas microfontes também podem ser interligadas para fornecer um maior
valor de tensão (Tabela 4).
O equipamento pode trabalhar como uma fonte de tensão ou de corrente, pois
para cada microfonte, podem ser ajustados o valor da tensão ou da corrente requeridas.
O valor da tensão é ajustado diretamente a partir do conversor D/A. Para ajustar a
corrente existe uma rotina iterativa no firmware que ajusta a tensão e monitora a
corrente repetidamente até encontrar um valor próximo ao requerido.
FONTE FAIXA DE TENSÃO CORRENTE MÁXIMA
Microfonte positiva 420V a 3kV 160μA
Microfonte negativa -420V a -3kV 160μA
Microfontes acopladas 840 a 6kV 160μA
Tabela 4 – Configurações do equipamento.
23
Fig. 15- Aspecto final do equipamento.
2.12. Software de interface
O Software MICSENS (Figura 16) foi desenvolvido em linguagem JAVA
pelo aluno de Engenharia da Computação Renê de Souza Pinto, para controlar e
monitorar o equipamento. Através dele pode-se ajustar tensões e correntes em
períodos programáveis, além de construir gráficos da variação das tensões e correntes
no tempo. Pode-se salvar os dados adquiridos pelo programa em um arquivo de texto,
assim como também salvar a figura do gráfico traçado. Por ser desenvolvido em JAVA,
o software é multi-plataforma, conferindo grande portabilidade ao sistema.
24
Figura 16 – Software MICSENS.
3. Resultados
Para provar a funcionalidade e a qualidade do equipamento desenvolvido, foi
realizado um experimento com o equipamento e uma fonte comercial, a Spellman
CZE2000. O experimento se resume em conectar uma carga às fontes, variar a tensão
e adquirir o sinal da corrente. A “carga” utilizada foi uma solução de Tetraborato de
sódio 50mM e pH 9,0. Para este experimento as microfontes foram acopladas,
entregando assim uma tensão máxima de 6kV (3kV + 3kV).
Fig. 17 – Sistema de eletroforese capilar montado com as microfontes.
25
Os sinais de tensão e corrente foram adquiridos para o equipamento e para a
fonte comercial, variando-se a corrente em passos de 1µA (Figura 18).
Figura 18 – Comportamento da tensão versus corrente para as microfontes e a fonte
Spellman.
4. Conlusão
Analisando o gráfico obtido no experimento, pode-se observar uma região de
não linearidade para a curva obtida com as microfontes, que se encontra entre 0V e
aproximadamente 840V e acontece porque, com tensões abaixo de 420V, o circuito
interno dos conversores comutados ainda não estão alimentados com tensão suficiente.
Como elas estão acopladas, somente depois de 840V (420V + 420V) é que entrarão na
região linear. A não linearidade da tensão nessa região é bem acentuada e a fonte não
deve operar nessa faixa. Para tensões acima de 840V, ouve um desvio de no máximo
2% entre os valores obtidos utilizando o equipamento e utilizando a fonte comercial,
representando um valor tolerável segundo o projeto.
Conclui-se assim que o equipamento pode ser utilizado com grande
confiabilidade na faixa de tensões de 800V a 6kV para o modo acoplado e de 420V a
3kV no modo desacoplado.
Em relação ao custo de construção do equipamento, foi gasto aproximadamente
R$600,00 no desenvolvimento do protótipo, enquanto a fonte comercial similar sem uma
interface digital custa não menos que U$2000,00.
26
5. Referências Bibliográficas
[1] Skoog, D. A., Holler, F. J. e Nieman T. Principes of Instrumental Analysis,
Saunders College Publishing, Philadelphia, 1998.
[2] Settle, F. Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry,
Prentice-Hall International Inc., New Jersey, 1997.
[3] Pereira, F. Microcontroladores PIC: Programação em C, Editora Erica, São
Paulo, 2003.
[4] Smith, D. W. PIC in practice, Oxford, Newnes, 2005.
[5] Cipelli, A. M. V. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos,
Editora Erica, São Paulo, 1990