INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS JOINVILLECURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM

MECATRÔNICA INDUSTRIAL

AMARO DA SILVAJACKSON KARNOPP

JOAO DE OLIVEIRA JUNIOR

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROLE DE INCLINACAO

AMARO DA SILVAJACKSON KARNOPP

JOAO DE OLIVEIRA JUNIOR

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROLE DE INCLINACAO

JOINVILLE, 2014

INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA ETECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

CAMPUS JOINVILLECURSO SUPERIOR DE TECNOLOGIA EM

MECATRÔNICA INDUSTRIAL

AMARO DA SILVAJACKSON KARNOPP

JOAO DE OLIVEIRA JUNIOR

PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROLE DE INCLINACAO

Submetido ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina como parte dos requisitos aprovação na disciplina de Metrologia e instrumentacao.

Orientador: Rodrigo coral, M.Sc.

JOINVILLE, 2014

Da Silva, Amaro.Controle de inclinacao.da Silva, Amaro. karnopp, Jackson; Junior de Oliveira, Joao – Joinville Instituto Federal de Santa Catarina, 201. 54 f.

Trabalho de aprovacao da disciplina de Metrologia e Instrumentacao, 2014. Graduação: Curso Superior de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Modalidade: Presencial. Orientador: Rodrigo Coral, M.Sc.

1. Controle de inclinacao, 2. Acelerometro, 3. Arduino, 4. LAb viewI. PROJETO E IMPLEMENTAÇÃO DE UM SISTEMA AUTOMÁTICO DE CONTROLE DE INCLINACAO

RESUMO

Este trabalho apresenta o projeto e a implementação de um sistema automático de controle de inclinação.O projeto consiste em uma base de madeira que serve de sustentação para um pêndulo, este é formado por um eixo móvel na parte central que possibilita movimentos no eixo “Y” através da força gravitacional, nas extremidades do pêndulo foram instalados dois recipientes com água, este fluido será deslocado de uma extremidade a outra através de bombas centrífugas, em uma condição de desequilíbrio um acelerômetro instalado na superfície superior do pêndulo detectará o deslocamento do mesmo e enviará um sinal elétrico para o arduino que recebe esta informação de forma bruta e converte em um ângulo que varia de -90 a + 90, esta informação será processada pela placa DAQ 6009 comunicando o sinal gerado pelo Arduino com o software Labview, e através de um módulo PID do software buscara-se a condição de equilíbrio do pêndulo através do controle de vazão das bombas.

Palavras-Chave: Arduino, Labview, acelerômetro, bomba centrifuga, pêndulo.

ABSTRACT

This work presents the design and implementation of an automatic tilt control. The design consists of a wooden base serving as support for a pendulum, it is formed by a movable shaft which allows the central part moves in the axis "Y" by means of the gravitational force of the pendulum at the ends of the containers with water, this fluid will be moved from one end to another through centrifugal pumps, in an unbalanced condition an accelerometer installed on the upper surface of the pendulum detect the displacement of it and send an electrical signal to the arduino receiving this raw to information and converts it to an angle ranging from -90 to + 90, this information will be processed by the DAQ board 6009 communicating the signal generated by Arduino with Labview software, and through a software PID module sought to balance condition  Pendulum through the flow control of pumps

Keywords: Arduino, Labview, accelerometer, centrifugal pump, pendulum.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1 – ESTRUTURA BOMBA CENTRIFUGA................................................23FIGURA 2 – JUNÇOES TRANSISTORES............................................................24FIGURA 3 – POLARIZAÇÃO INVERSA...............................................................25FIGURA 4 – POLARIZAÇÃO DIRETA.................................................................25FIGURA 5 – TRANSISTOR EMISSOR COMUM....................................................26FIGURA 6 – TRANSISTOR COLETOR COMUM...................................................27FIGURA 7 – TRANSISTOR BASE COMMUM.......................................................28FIGURA 8 – SIMBOLO DIODO.........................................................................28FIGURA 9 – POLARIZAÇÃO DIRETA E POLARIZAÇÃO INVERSA...........................29FIGURA 10 – PONTES DE DIODO...................................................................30FIGURA 11 – FILTRAGEM SIMPLES.................................................................31FIGURA 12 – UTILIZAÇÃO FILTRO CAPACITIVO................................................31FIGURA 13 – FILTRAGEM E RIPPLE................................................................32FIGURA 14 – ACELEROMETRO ELETRICO.......................................................33FIGURA 15 – ACELEROMETRO PIEZOELETRICO..............................................35FIGURA 16 – ACELEROMERO PIEZORESISTIVO...............................................35FIGURA 17 – ACELEROMETRO

CAPACITIVO......................................................36FIGURA 18 – ACELEROMETRO DE EFEITO HALL..............................................36FIGURA 19 – APLICAÇÃO ACELEROMETRO EM SMARTPHONES........................37FIGURA 20 --ARDUINO CONECTADO A UM PROTOBOARD.................................39FIGURA 21 – ARDUINO COM INTERFACE PARA O LABVIEW..............................42FIGURA 22 – PROJETO ESTRUTURA MECANICA.............................................43FIGURA 23 – PROJETO PLACA ELETRONICA..................................................44FIGURA 24 – ACELEROMETRO MPU-6050....................................................45FIGURA 25 – ESQUEMA DE LIGAÇÃO ARDUINO UNO COM O ACELEROMETRO ..46FIGURA 26 – PINAGEM ENTRADA SAIDA PLACA DAQ6009..............................47FIGURA 27 – PROGRAMA NO LABVIEW..........................................................47

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO....................................................................222. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...............................................232.1 BOMBA CENTRIFUGA..........................................................232.2 TRANSISTOR.....................................................................242.3 TRANSISTOR EMISSOR COMUM...........................................262.4 TRANSISTOR COLETOR COMUM..........................................262.5 TRANSISTOR EMISSOR COMUM...........................................272.6 DIODOS........................................................................282.7 PONTES DE DIODO........................................................302.8 FILTRO CAPACITIVO.......................................................302.9 ACELEROMETRO.......................................................322.10 ELETRONICA ASSOCIADA...............................................332.11 TIPOS DE ACELEROMETRO.........................................342.11.1 PIZOELÉTRICO..........................................................342.11.2 PIZORESISTIVO.........................................................352.11.3 CAPACITIVO...............................................................352.11.4 ACELEROMETRO DE EFEITO HALL...............................362.11.5 MAGNETO RESISTIVO................................................362.12 APLICAÇÃO DE ACELEROMETROS.......................................372.13 PROTOCOLO DE MEMORIA..................................................382.13.1 ESTRUTURA DE INTERCONEXAO.....................................382.14 ARDUINO......................................................................382.14.1 HARDWARE...................................................................392.14.2 Software......................................................................402.14.3 APLICAÇÕES.............................................................402.14.4 LABVIEW..................................................................41

3. DESENVOLVIMENTO........................................................423.1 CONCEITO DO PROJETO....................................................423.2 ESTRUTURA MECANICA..................................................42

3.3 ESTRUTURA ELÉTRICA...................................................433.3.1 PLACA ELETRONICA...........................................................433.3.2 ACELEROMETRO............................................................443.3.3 COMUNICAÇÃO DO ACELEROMETRO COM O ARDUINO.....453.3.4 COMUNICAÇÃO DO ARDUINO COM O LABVIEW.............463.3.5 CONTROLE DO SISTEMA.............................................47

CONSIDERAÇÕES FINAIS........................................................48REFERÊNCIAS...........................................................................49

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1. INTRODUÇÃO

A automatização está ligada à realização de movimentos automáticos, repetitivos e mecânicos, implicando em ação cega sem correção, enquanto que um sistema de automação comporta-se como um operador humano que pensa e executa a ação mais apropriada a partir do uso das informações sensoriais. A palavra automação se destacou com o surgimento da máquina de comando numérico em 1949/50, criada para realizar operações programadas sem a intervenção direta de um operador. Essa tecnologia abriu amplas expectativas de mudanças no processo produtivo.

A partir dessa evolução, todos os ramos da indústria tiveram impacto significativo na automatização dos seus processos, dentre elas a área de Metrologia e Instrumentação. Num mercado cada vez mais feroz é impensável um processo com controle rígido que evite prejuízos e que busque o controle da fabricação, visando garantir a qualidade de produtos e serviços.

A padronização de pesos e medidas é essencial neste contexto de mercado, portanto a utilização de dispositivos que garantam estes quesitos é primordial, pois evita erros e desperdícios aumentando assim a produtividade.

Neste âmbito será apresentado o projeto de um sistema de controle de inclinação que visa futuramente ser transformado em uma balança através de deslocamento de fluido.

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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Bomba centrifiuga

È o equipamento mais utilizado para bombear líquidos,elevando, pressurizando ou transferindo liquido de um local para o outro.

Seu trabalho transfere energia cinética para o fluido, resultando em energia potencial, podendo ser de posição ou mais usualmente de pressão no local de descarga da bomba.

Esta transformação e originada pelo acionamento mecânico de um eixo rotativo, a rotação transfereenergia para o fluidoatraves das palhetas do rotor.

O fluido presente na sucção entra no olho do rotor, uma cavidade de diâmetro menor, interna que e o ponto de partida para o escoamentoem direção ao diâmetro externo pelos canais formados entre as palhetas do rotor.

A transferência de energia da bomba para o fluido e diretamente proporcional ao diâmetro do rotor, da rotação de acionamento e do projeto do rotor, Se a energia requerida for mais alta que a fornecidapela bomba, não haverá escoamento, apenas o fluido sera pressurizado

Para especificar uma bomba centrifuga corretamente deve-se observar as relações entre a bomba instalada, o sistema de tubulações empregado e do manancial supridor do fluido bombeado.

FIGURA 1 – Estrutura bomba centrifuga

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2.2 Transistor

O transistor foi descoberto em novembro de 1947, por cientistas do laboratório da Bell Telephone, a partir da necessidade do aperfeiçoamento e redução do tamanho das válvulas, além do aumentode sua eficiência, pois elas consumiam muita energia.O transistor e uma dos componentes mais importantes na eletrônica, ele permite a amplificação e comutação de sinais, tendo substituído as válvulas termoionicas na maior parte da aplicações.O material mais utilizado dos transistores e o silício, entretanto, os primeiros modelos foram fabricado com germânio, porem o silício apresenta temperaturas de trabalho mais elevadas, além de menores correntes de fuga.O transistor é formado por duas juncoes p-n em serie, podendo apresentar as configurações p-n-p e n-p-n são os mais comunspois a movimentação de elétrons e maior o que facilita o processamento de sinais de alta frequência. Devido aos três terminais existentes e possível usar a tensão entre dois terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal, e obter uma fonte controlável.Pode-se designar os três terminais por: Emissor (E), Base (B) e coletor (C) sendo constituído por duas juncoes PN( juncao base-emissor e juncao base-coletor).

Figura2- Junçoes transistor.

Os transistores tem três zonas de funcionamento distintas:

Corte- Ambas as juncoes estão polarizadas inversamente

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Figura FIGURA 3- Polarizaçao inversa

Saturaçao- Ambas as junções estão polarizadas diretamente

Figura 4- Polarizaçao direta

Activa- Junçao base-emissor polarizada diretamente e juncao base coletor polarizada inversamente

Figura 5- Zona Activa

Os transitores funcionam como amplificador, quando a corrente do coletor e um múltiplo da corrente da base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal teremos um valor maior de tensão no emissor, que ao fazermos uma relação inversamente proporcional entre a corrente do coletor e da base resultara em um ganho proporcional (Beta ou Hfe).A principal diferença entre os três tipos de transistores esta justamente no ganho, conforme descrito abaixo:Base comum: Ganho em tensão, sem ganho em correnteEmissor comum: Ganho em tensão e corrente

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Coletor comum: Ganho em corrente, sem ganho em tensão.

2.3 Transistor Emissor Comum

O terminal do emissor do transistor é ligado tipicamente a referencia de 0V ou terra. O terminal do coletor é ligado a carga de saída, e o terminal do coletor e ligado a carga de saída, e o terminal da base atua como a entrada de sinal. O circuito basicamente é constituído por uma resistência de carga RC e um transistor NPN.Os circuitos emissor comum são utilizados para amplificar sinais de baixa voltagem, como os sinais de rádio fracos captados por uma antena, para amplificação de um sinal de áudio e vídeo.

Figura 5- Transistor Emissor comum

2.4 Transistor Coletor Comum

O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hfe do transistor . Uma pequena mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança

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muito maior na corrente de saída enviada a carga. Deste modo, um terminal de entrada com uma fraca alimentação pode ser utilizado para alimentar uma resistência menor no terminal de saída.

Figura 6- Transistor coletor comum

2.5 Transistor Base Comum

A ligação de um transistor em base comum é uma configuração de um transistor na qual sua base é ligada ao ponto comum do circuito.Esta montagem é utilizada de forma menos frequente do que as outras configurações em circuitos de baixa frequência, é utilizada para amplificadores que necessitam de uma impedância de entrada baixa. Como exemplo pode-se citar os amplificadores VHF e UHF onde a baixa capacitância da entrada é de importância critica

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Figura 7- Transistor base comum

2.6 Diodos

É um componente elétrico que permite que a corrente atravesse num sentido com muito mais facilidade do que no outro. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como a figura abaixo:

Figura 8- Simbolo diodo

Quando colocado em um simples circuito bateria-lampada, o diodo permite ou impede corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo

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Figura 9- Polarizaçao direta e polarização inversa

Na imagem da esquerda o diodo esta diretamente polarizado, há corrente e a almpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada.O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo esta diretamente polarizado e aberta quando o diodo esta inversamente polarizado). A diferença mais substancial é que, quando diretamente polarizado, há uma queda de tensão no diodomuito maior que do que aquela que geralmente se observa em chaves mecânicas (no caso do diodo de silício, 0,7 V).A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente continua pulsante. Como no semi ciclo negativo de uma corrente alternada o diodo faz a função de uma chave aberta, não passa corrente elétrica no circuito(considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente continua, é controlar o fluxo de corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido, entretanto , podem ser projetados com outras características como: retificadores tendo capacidade de conduzir altas corrente elétricas em baixa frequência, diodos de sinal capazes de retificar sinais de alta frequência, diodos de chaveamento onde sua utilização é indicada circuitos chaveados na condução de altas correntes.

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2.7-Pontes de diodo

Quando 4 diodos são combinados, ocorre a retificação de onda completa. Dispositivos que combinam 4 diodos em um encapsulamento são chamados de pontes de diodo. Eles são usados para a retificação de onda completa.Pontes de diodos com grandes capacidades de corrente, exigem um dissipador de calor. Normalmente, eles são parafusados a um pedaço de metal, ou no chassis do dispositivo em que são utilizados. O dissipador de calor permite que o dispositivo irradie o calor em excesso.Retificadores de ponte são classificados pela sua tensão reversa máxima e máximo. Eles tem quatro ligaçãoes ou terminais: as duas saídas CC são rotulados + e -, as duas entradas CA são rotulados.

Figura 10- Pontes de diodo

2.8 Filtro capacitivo

Na saída de um sistema retificador obtemos corrente continua pulsante, ou seja, formada pelos semi ciclos da corrente alternada que são conduzidos pelos diodos . Esta corrente contínua não é pura, não servindo para alimentar a maioria dos circuitos eletrônicos.A corrente continua pulsante da saída de um sistema retificador precisa passar por um processo de filtragem que, dependendo da aplicação, deve ser o mais eficiente quanto

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seja possível. A figura abaixo mostra a forma mais simples de filtragem.

Figura 11- Filtragem simples

Normalmente, para termos uma boa filtragem, usamos um capacitor eletrolítico de grande valor que vai funcionar como uma espécie de reservatório de energia, conforme segue.Nos semiciclos em que o diodo conduz, o capacitor se carrega com a tensão máxima retificada, ou seja, a tensão de picodo secundário do transformador. Se ele for especificado para fornecer uma tensão de 12 V, este valor corresponde a um valor “rms”. O valor de pico é obtido multiplicando-se 12 por 1,41 (raiz quadrada de 2). Isso significa que o valor de pico deste semiciclo é de 16,92 volts, É com esta tensão que o capacitor se carrega em cada semi ciclo conduzido confomr figuara abaixo:

Figura 12- Utilização de filtro capacitivo

Observa-se que não obtemos necessariamente um tensão continua de 12 V, se usarmos numa fonte um transformador como secundário de 12 V, mas, em príncipio um valor muito

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maior. Esta tensão será de pico da rede, quando o capacitor estiver completamente carregado.Na prática, entretanto, a tensão não atinge o máximo, pois a fonte precisa fornecer uma corrente a um circuito externo. Assim, nos intervalos entre os semiciclos, quando a tensão no diododiminui, e ele é mesmo polarizado no sentido inverso, o capacitor se encarrega de fornecer tensão para o circuito alimentado, não a deixando diminuir.Desta forma, a tensão aplicada ao circuito alimentado e , consequentemente, a corrente, variam pouco. Esta variação ou queda no circuito de carga será tanto menor quanto maior for o capacitor utilizado, conforme figura abaixo, pois ele pode fornecer energia por mais tempo a esse circuito externo.

Figura 13- Filtragem e ripple

2.9- Acelerômetro

O acelerômetro é um dispositivo usado para medir a aceleração própria. A aceleração própria difere da aceleração (no sentido convencional de taxa de mudança de velocidade) pois esta atrelada a sensação de peso medida em um dado diferencial. Um acelerômetro é incapaz de medir aceleração de um objeto em queda livre, por exemplo. A sensação de peso em um acelerômetro em queda livre no sol ou na lua é nula embora a aceleração seja bastante diferente nesses casos.Acelerômetros são dispositivos que podem funcionar a partir de diversos efeitos físicos e tem, portanto, uma ampla faixa de valores de aceleração que são capazes de medir, logo tem uma gama de aplicações bastante elevada. Esses dispositivos seção usados principalmente em sistemas de posicionamento, sensores de inclinação, bem como sensores

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de vibração. Uma aplicação bastante conhecida de acelerômetros são as telas de aparelhos celulares que se ajustam de acordo com o ângulo que fazem em relação a aceleração da gravidade.Partindo da segunda lei de Newton, é possível construirmos vários tipos de acelerômetro. Podemos visualizar o seu princípio de funcionamento se imaginar um copo de agua ate a metade. Se colocarmos o copo sobre uma superfície plana e empurramos para frente, desta forma o acelerando, notamos que a água se move em relação ao copo, Outro exemplo, rudimentar é um lustre pendurado em trem, enquanto o trem acelera, freia ou faz uma curva é possível notar uma ângulo entre a linha que segura o lustre e a vertical.

Figura 14- Acelerômetro elétrico

2.10- Eletrônica associada

Os acelerômetros são dispositivos que tem alguma propriedade variando em função da aceleração. Em geral, um dispositivo que mede a aceleração tendo uma mudança do sinal baseado em algum dos princípios físicos deve fazer uma conversão do sinal alterado para o sinal que será enviado ao resto do circuito.

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Por exemplo: um circuito logico digital que tem um acelerômetro capacitivo deve transformar a variação de capacitância em um sinal de tensão para ser interpretado pelo resto do circuito. Por isso, é usual a presença de algum conversor de sinal.O sinal convertido do acelerômetro muitas vezes não e suficiente para ser passado ao resto do circuito e portanto deve passar por um amplificador.Outro elemento comum nesses dispositivos são os filtros de frequência. Muitas vezes é necessário filtrar o sinal do dispositivo para um determinada frequência de interesse, ou a frequência em que se sabe a resposta do acelerômetro.Além desses elementos, em dispositivos digitais é possível alterar a faixa de frequência em que ele opera, trocando de filtro. São comuns nesses dispositivos, memórias, geradores de clock, e circuitos de roteamento de clock.Muitos acelerômetros são usados para desligar aparelhos quando estão em queda, por isso se colocam circuitos lógicos que, quando identificam sinal zero em todos os eixos do acelerômetro por um determinado período de tempo, emitem um comando para desligar o aparelho, ou registrar os dados em alguma memória antes do aparelho se destruir.

2.11- Tipos de acelerômetros

2.11.1- Pizoelétrico

Esse tipo de dispositivo faz uso do efeito piezo elétrico. Normalmente, há uma massa presa a um cristal piezoeletrico, quando há uma aceleração no sistema a massa presa ao cristal acaba gerando uma deformação no cristal e este deslocamento no cristal e este deslocamento gera um sinal elétrico.

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Figura 15- Acelerometro pizoelétrico

2.11.2- Piezoresistivo

Um acelerômetro piezoresistivo faz uso da variação de resistência de um cristal quando esticado.

Figura 16- Acelerometro piezoresistivo

2.11.3- Capacitivo

Um acelerômetro capacitivo funciona de modo que a aceleração no dispositivo desloca uma placa móvel de um capacitor em relação a placas fixas no dispositivo. Desta, forma altera-se a capacitância de cada capacitor.

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Figura 17- Acelerometro capacitivo

2.11.4- Acelerômetro de efeito Hall

Neste dispositivo, a aceleração move uma fita, que está conduzindo corrente elétrica, por uma campo magnético não uniforme. Assim, quanto maior for o deslocamento, maior será o campo magnético, portanto maior será a diferença de potencial transversal a corrente, devido ao efeito Hall.

Figura 18- Acelerometro de efeito hall

2.11.5- Magnetoresistivo

O caso de um acelerômetro magnetoresistivo, a aceleração causa um deslocamento em uma massa de material magnético, e na parte fixa do dispositivo tem materiais que alteram sua resistência com a presença de um campo magnético.

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2.12- Aplicações de acelerômetros

A indústria automobilística proporcionou um grande barateamento de custos do instrumento devido ao seu uso em larga escala. Nos carros, o acelerômetro exerce uma importante função ao controle de estabilidade ao calcular forças em que o veiculo esta sendo submetido, além de auxiliar na orientação do GPS. Além de mais barato, o instrumento ocupa dimensões muito menores, sendo encontrado com frequência em celulares e computadores portáteis.Desde que o iPhone inovou com o recurso, celulares, players e câmeras digitais abusam do posicionamento automático a imagem, mudar de faixa ou executar ações sem que botão algum seja pressionado. Em um computador, por exemplo, uma das funções do acelerômetro é evitar que o disco rígido seja danificado durante uma queda, parando o HD durante movimentos bruscos.Na indústria petrolífera é utilizado principalmente nos dutos de extração pois é necessário monitorar a distancia das cargas em que os dutos são submetidos, devido principalmente a exposição de vibrações devido a ondas ou mares.Na robótica, acelerômetro muitas vezes são usados para identificação da inclinação de determinada peça, ou medir a movimentação da peça.

Figura 19- Aplicação acelerômetros em smartphones

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2.13- Protocolo de Memória

2.13.1- Estruturas de interconexão

São caminhos que conectam vários módulos de um computador(processador, memoria).Um barramento é um conjunto de fios que transportam informações com um proposito comum.A CPU pode acessar três barramentos: o endereço, o de dados e o de controle. Como foi visto, cada instrução possui duas fases distintas: o ciclo de busca, quando a CPU coloca o conteúdo do PC no barramento de endereço e o conteúdo do PC no barramento de endereço e o conteúdo da posição da memoria é colocado no registro de instrução da CPU, e o ciclo de execução, quando a CPU executa o conteúdo colocado no registro de instrução e coloca-o na memória de dados do barramento de dados. Isto significa que quando a operação do microcontrolador é iniciada ou resetada, o PC é carregado com o endereço 0000h da memória do programa.

2.14-ARDUINO

Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única, projetada com um microcomtrolador Atmel AVR com suporte de entrada e saída embutido, uma linguagem de programação padrão, a qual tem origem em Wiring, e é essencialmente C e C++. O objetivo do projeto é criar ferramentas que são acessíveis, com baixo custo, flexíveis e fáceis de usar por artistas e amadores. Principalmente para aqueles que não teriam alcance aos controladores mais sofisticados e de ferramentas mais complicadas.Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes ou ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. Uma típica placa de arduino é composta por um controlador, alguma linhas de entradas e saídas digitais e analógicas, além de uma interface serial ou usb, para interligar-se ao hospedeiro, que é usado para programa-la e interagi-la em tempo real. Ela em si não possui qualquer recurso de rede, porem é comum combinar um ou

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mais Arduinos deste modo, usando extensões apropriada denominadas Shields. A interface do hospedeiro é simples, podendo ser escritas em varias linguagens.

2.14.1- Hardware

Sua placa consiste em um microcontrolador Atmel AVR de 8 bits, com componentes complementares para facilitar a programação e incorporação para outros circuitos. Um importante aspecto é a maneira padrão que os conectoressao expostos, permitindo o CPU ser interligado a outros módulos expansivos, conhecidos com Shields.A grande maioria das placas inclui um regulador linear de 5 volts e um oscilador de cristal de 16 Mhz( podendo haver variantes com um ressonador cerâmico), embora alguns esquemas como o Lilypad usam ate 8 MHz e dispensam um regulador de tensão embutido, por ter uma forma especifica de restrições de fator. Alem de ser microcontrolador, o componente também e pré-programado com um bootloader que simplica o carregamento de programas para o chip de memória flash embutido com outros aparelhos que usualmente necessitam de um chip programador externo.

Figura 20-Arduino conectado a um protoboard

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2.14.2- Software

O Arduino IDE é uma aplicação multiplataforma escrita em Java derivada dos projetos Processing e Wiring. É esquematizado para introduzir a programação a artistas e a pessoas não familiarizadas com o desenvolvimento de software. Inclui um editor de código com recursosde realce de sintaxe, parênteses correspondentes e identação automática, sendo capa de compilar e carregar programas para a plca com um único clique. Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programa em ambientes de linha de comando.Tendo uma biblioteca chamada Wring, ele possui a capacidade de programar em C e C++. Isto permite criar com facilidade mitas operações de entrada e saída, tem que definir apenas duas unções no pedido para fazer um programa funcional:

Setup- Inserida no inicio, na qual pode ser usada para inicializar configuração e

Loop- chamada para repetir um bloco de comandos ou esperar ate que seja desligada.

WProgram.h é um recurso para referenciar a biblioteca Wiring, e a função main() apenas faz três chamadas distintas: init(), definida em sua própria biblioteca, setup () e loop (), sendo as duas ultimas configuradas pelo usuário.O Arduino IDE usa o conjunto de ferramentas GNU e o AVR libc para compilar os programas, para depois, com o avrdude, enviar os programas para a placa.

2.14.3-Aplicaçoes

A principal finalidade do Arduino num sistema é facilitar a prototipagem, implementação ou emulação do controle de sistemas interativos, a nível domestico, comercial ou móvel, da mesma forma que o CLP controla sistemas de funcionamento industriais. Com ele é possível enviar ou receber informações de basicamente qualquer sistema

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eletrônico, com identificar a aproximação de uma pessoa e variar a intensidade da luz do ambiente conforme a sua chegada. Ou abrir as janelas de um escritório de acordo com a intensidade da luz do sol e a temperatura ambiente.Os campos de atuação para o controle de sistemas são imensos, podemos ter aplicações de impressão 3D, robótica< engenharia de transportes, engenharia agronômica e musical.

2.15- Labview

O labview é um software aplicativo baseado na linguagem ( linguagem de programação gráfica) que emprega ícones ao invés de textos para criar aplicações. Diferente das linguagens de programação baseadas em textos (linhas de comando), onde as instruções determinam a execução do programa.A programação baseada no fluxo de dados, onde os dados determinam a execução, trazendo algumas vantagens para aplicações de aquisição e manipulação de dados.Os aplicativos são desenvolvidos pelo usuário com o uso de um conjunto de ferramentas e objetos que possuem funções para aquisição, analise e apresentação dos dados, GPIB e controle de instrumentos seriais. Os códigos são acionados no diagrama de blocos usando representações gráficas de funções para controlar os objetos adicionados no painel frontal. Depois de criado o diagrama de blocos é compilado para a linguagem da máquina.

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Figura 21-Arduino com interface para o Labview

3. DESENVOLVIMENTO

3.1 Conceito do Projeto

O projeto tem por objetivo equilibrar um pendulo através do deslocamento de fluido de uma extremidade a outra. A ideia inicial é poder equilibrar o pêndulo através de um acelerômetro, o mesmo faz a leitura e envia um valor de tensão ao Arduino que converterá este valor para um ângulo e enviará outro valor de tensão para a placa do labview e através de um programa enviara sinal para as bombas ligarem e desligarem variando a potencia das mesmas.

3.2 Estrutura Mecânica

Através do software Solid Works projetou-se o pêndulo, o mesmo será confeccionado com uma base de madeira de 500 X 300 mm, onde serão fixados dois batentes inclinados em 30 graus um em cada extremidade, a fim de parar uma das extremidades que está em desequilíbrio, constará na região central da base das

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duas travessas que serão parafusadas 90 graus com a base e terão uma altura de 250 mm a fim de propiciar a instalação do eixo principal, o eixo principal será feito com uma dobradiça de porta que possibilitará os movimentos no eixo Y.Em cada extremidade foi fixado um recipiente fechado de acrílico com água, os mesmos terão acoplados em cada um uma bomba centrifuga modelo RDPC 3625D12 tendo dois orifícios de entrada e saída de fluidos interligados por mangueiras de silicone.

Figura 22-Projeto estrutura mecânica

3.3 Estrutura Elétrica

3.3.1 Placa eletrônica

Com o objetivo de transformar a tensão de 220 V para 15V, e alimentar as bombas com uma corrente continua, será confeccionada uma placa eletrônica, conforme projeto abaixo.Serão utilizados os seguintes componentes:Para converter inicialmente a tensão da rede de 220 V para 30 V será utilizado um transformador 220-30-2 A, em série estará ligando uma ponte de diodos (1N4007) para uma retificação de onda completa, neste momento obtemos uma corrente contínua

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pulsante o que não é interessante para o sistema eletrônico, para solucionar este problema será utilizado dois capacitores eletrolíticos de (1000μF -50V)Para obter-se um ganho de corrente se faz necessário a instalação de dois transistores Emissor-comum, para este projeto será utilizado o TIP126 que possui um ganho de 1000, que possibilita uma corrente de dreno das placas DAQ e Arduino bem baixas, aproximadamente 5 μA . Através da lei de Ohn chega-se a um resistor de 16K para a base do transistor, levando em consideração que a tensão nas bombas varia de 0 a 5V.

Figura 23-Projeto placa eletrônica

3.3.2 Acelerômetro

Será utilizado neste projeto o acelerômetro MPU 6050, este possui em um único chip um acelerômetro e um giroscópio tipo Mens. São três eixos para o acelerômetro e três eixos para o giroscópio, sendo ao todo seis graus de liberdade.Possui alta precisão devido ao conversor de 16 bits para cada canal. Portanto o sensor captura os canais x,y,z ao mesmo tempo.

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O valor fornecido varia de -16384 a + 16384 (2^15), para cada um dos eixos, para este trabalho será utilizado apenas o eixo Y.

Figura 24- Acelerômetro MPU-6050

3.3.3 Comunicação do acelerômetro com o Arduino

A comunicação com o Arduino usa a interface I2C, por meio dos pinos SCL e SDA. Nos pinos XDA e XCL pode-se ligar outros dispositivos I2C. A alimentação do módulo pode variar entre 3 a 5 V, mas seguindo as sugestões do fornecedor se usará uma tensão de 5V para melhores resultados e precisão.O Arduino recebe a informação bruta do acelerômetro (16384 a +16384 (2^15)) e a converte em um angulo que varia de -90° a +90°. Esta informação será exibida em um display de LCD 16X2 de forma orientativa, para isso será utilizado a biblioteca Wire para ler os dados da interface I2C e a biblioteca LiquidCrystal para enviar os dados para o display.Para dar continuidade ao processo, o Arduino utiliza dois pinos de saída digital (pinos 10 e 11), para gerar tensão de 0 a 5 volts (sinal em forma de PWM, que então gera uma tensão media de 0-5V), de forma linear para representar o movimento máximo do

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pêndulo (-90 a +90 graus) por exemplo, se o ângulo lido foi -45º (inclinação para esquerda), o pino 10 gera 2,5V e o pino 11 gera 0V, se o ângulo lido é + 90 graus, o pino 10 muda para 0V e o pino 11 para 5V, e assim o Arduino responde linearmente.

Figura 25- Esquema de ligação do Arduino Uno com o acelerômetro MPU-6050

3.3.4 Comunicação do Arduino com o Labview

Para comunicação do Arduino com o Labview resultar em uma leitura de tensão foi utilizada a DAQ6009, sendo que o valor da tensão simboliza a inclinação do pêndulo, as saídas do Arduíno foram conectadas as duas entradas analógicas para obter uma leitura diferencial, portas AI0 e AI4 formando uma leitura, e AI1 e AI5 para fazer outra leitura.

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Figura 26- Pinagem de entradas e saídas placa DAQ 6009

3.3.5 Controle do sistema

O objetivo principal era o controle das bombas de água para dessa forma conseguir o equilíbrio do pêndulo, para isto utilizou-se as duas saídas analógicas da placa NI DAQ6009, o controle das bombas foi feito por um modulo PID do labview, que observa os ângulos e ajustava um valor potência para as bombas, que era convertido em tensão elétrica nas saídas AO0 e AO1, que por sua vez, polarizavam os transistores da placa de potência do projeto.

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Figura 26- Painel frontal do labview, que monitora ângulo e potencia das bombas

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Figura 26- Programa do labview com módulos de controle PID

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CONSIDERAÇÕES FINAIS

No inicio do trabalho, optamos por elaborar um sistema de controle linear, de forma que a potência das bombas respondesse de forma linear ao ângulo de inclinação. Todo controle era realizado pelo arduino, havia apenas algumas leituras das variáveis que eram simplesmente monitoradas e exibidas graficamente pelo labview, mas infelizmente não obtivemos êxito no controle.Numa segunda etapa, o arduino ainda continuou fazendo a leitura e processamento do ângulo de inclinação, porém o processamento e calculo de potência das bombas passou a ser feito pelo labview, utilizando um modulo PID para melhorar a estabilidade do pendulo. Obtivemos resultados bem mais satisfatórios que na primeira etapa, mas pelo fato de estarmos trabalhando com água, que é um fluido difícil de se controlar, a estrutura que foi feita em madeira e se mostrava pouco estável conforme o movimento do pendulo, também não conseguimos controlar conforme nosso objetivo.De forma geral, conseguimos observar as diferenças quando trabalhamos com dispositivos embarcados e com o labview. O Arduino apesar de ter bibliotecas prontas, que facilitam a programação e a comunicação com diversos dispositivos, é bastante limitado se comparado ao labview e os dispositivos de aquisição de dados da national instruments, que oferecem velocidade e precisão muito superiores.

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REFERÊNCIAS

http://macao.communications.museum/por/exhibition/secondfloor/moreinfo/2_10_2_HowDiodeWorks.html Acesso: 24.10.14

http://www.filtrocapacitivo.com.br/ Acesso: 24.10.14

http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno Acesso: 03.11.14

http://www.linguee.com.br/ingles-portugues/traducao/national+instruments+labview.html Acesso: 04.11.14

http://www.electronica-pt.com/componentes-eletronicos/transistor-tipos Acesso: 05.11.14

http://pt.wikipedia.org/wiki/Regulador_de_tens%C3%A3o Acesso: 10.11.14