Curso de Engenharia de Computação SISTEMA...

Curso de Engenharia de Computação

SISTEMA AUTOMÁTICO PARA CONTROLE DE

TEMPERATURA EM LENÇOL TÉRMICO

Waldo Abrahão Flores

Itatiba – São Paulo – Brasil

Dezembro de 2009

Curso de Engenharia de Computação

SISTEMA AUTOMÁTICO PARA CONTROLE DE

TEMPERATURA EM LENÇOL TÉRMICO

Waldo Abrahão Flores

Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia de Computação da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. Ms. Antonio de Assis Bento Ribeiro, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. Ms Antonio de Assis Bento Ribeiro

Itatiba – São Paulo – Brasil

Dezembro de 2009

ii

Sistema automático para controle de temperatura em lençol térmico

Waldo Abrahão Flores Monografia defendida e aprovada em 10 de Dezembro pela Banca Examinadora assim constituída:

Prof. Ms. Antonio de Assis Bento Ribeiro (Orientador).

USF – Universidade São Francisco – Itatiba – SP.

Prof. Ms. Carlos Eduardo Pagani (Membro interno).


Prof. Ms. Raimundo Claudio da Silva Vasconcelos (Membro interno).


O registro de arguição e defesa consta de “ATA DE ARGUIÇÃO FINAL DE MONOGRAFIA”, devidamente assinada e arquivada na Coordenação do curso.

iii

As pessoas que acreditaram no meu potencial e me apoiaram em todos os momentos. Principalmente, a aqueles amigos que fazem diferença na minha vida e cobram para que eu evolua cada vez mais em todos os sentidos.

iv

Suba o primeiro degrau com fé. Não é necessário que você veja toda a escada. Apenas dê o primeiro passo.

(Martin Luther King)

v

AGRADECIMENTOS

A realização deste trabalho de conclusão de curso só foi possível pela

colaboração de inúmeras pessoas. A todos manifesto minha gratidão. E de modo

particular:

- Ao meu orientador Antonio de Assis Bento Ribeiro, pelo auxílio que me foi

dado no desenvolvimento do projeto e ao longo do curso;

- À minha namorada Gabriela Veiga da Silva que sempre que necessário e

solicitada me incentivou;

- Ao meu amigo Felipe Cavalaro, que me ajudou com materiais e indicações

sobre estudos sobre eletrônica;

- A todos do Laboratório de Eletrônica da Universidade São Francisco que

contribuíram imensamente com o desenvolvimento deste projeto fornecendo todo o

material necessário;

- A toda a minha família que sempre acreditou no meu potencial;

- A todos aqueles que estiveram presentes direta ou indiretamente no

percurso deste trabalho.

vi

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO...................................................................................................

2. OBJETIVOS.......................................................................................................

3.FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA..........................................................................

4. MATERIAIS E MÉTODOS.................................................................................

5. PROJETO..........................................................................................................

5.1 Descrição do Hardware...................................................................................

5.1.1 Microcontrolador 8051..............................................................................

5.1.2 Conversor Analógico/Digital (ADC )..........................................................

5.1.3 Sensor NTC..............................................................................................

5.1.4 Controle....................................................................................................

5.1.5 Lençol Térmico.........................................................................................

5.1.6 Esquema Geral.........................................................................................

5.1.7 Protótipo da placa.....................................................................................

5.2 Software...........................................................................................................

5.2.1 Fluxograma do Programa.........................................................................

5.2.2 Software de teste......................................................................................

5.2.3 Software completo....................................................................................

6. CONCLUSÃO....................................................................................................

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................

8. REFERÊNCIAS CONSULTADAS.....................................................................

9. APÊNDICE.........................................................................................................

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1: Sensor RTD............................................................................................

Figura 2: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) do sensor RTD.............

Figura 3: Termistores PTC e NTC.........................................................................

Figura 4: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) dos sensores PTC e

NTC.......................................................................................................................

Figura 5: Termopar................................................................................................

Figura 6: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) dos diversos tipo de

termopares. ...........................................................................................................

Figura 7: Diagrama de bloco do projeto.................................................................

Figura 8: Pinagem do 8051....................................................................................

Figura 9: Ordem dos números de pinagem do LM474CN.....................................

Figura 10: Esquema do circuito.............................................................................

Figura 11: Imagem do circuito montado................................................................

Figura 12: Diagrama do teste de linearidade do sensor NTC................................

Figura 13: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°C) do termistor 1.....................

Figura 14: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) do termistor 2.....................

Figura 15: Esquema do relé usado no projeto.......................................................

Figura 16: Foto de um Lençol térmico...................................................................

Figura 17: Esquemático da Placa..........................................................................

Figura 18: Protótipo da placa.................................................................................

Figura 19: Fluxograma do programa do microcontrolador.....................................

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LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Tipos, metais usados e faixa de temperatura dos termopares..............

Tabela 2: Tipo do sensor, faixa de temperatura e precisão...................................

Tabela 3: Temperatura e tensão do Termistor 1...................................................

Tabela 4: Temperatura e tensão do Termistor 2...................................................

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FLORES, Waldo A. Sistema Automático para controle de temperatura em lençol

térmico. 2009. 31f. Monografia (Bacharelado em Engenharia da Computação) –

Curso de Engenharia da Computação da Universidade São Francisco, Câmpus de

Itatiba.

RESUMO

O calor é utilizado no tratamento de diversos tipos de problemas e como os lençóis

térmicos produzem calor, podem ser utilizados em muitos tratamentos, sejam na

coluna vertebral, joelho, ombro e outras regiões. Este aparelho é uma espécie de

manta com vários resistores elétricos que, quando ligados a rede elétrica, dispersa

calor através do efeito Joule aumentando deste modo a sua temperatura. Em alguns

casos existem pacientes que possuem dificuldade de locomoção, fazendo surgir

lesões corporais devido a sua pele constantemente estar em contato com o colchão,

com a utilização do lençol térmico essas lesões diminuem. Porém, a um

determinado período de tempo é necessário que uma pessoa verifique a

temperatura do lençol para que o mesmo esteja na temperatura desejada. O objetivo

deste trabalho é desenvolver um dispositivo que será adaptado junto ao lençol

térmico para controlar a temperatura do lençol, utilizando sensores e um

microcontrolador da família 8051, eliminando a leitura manual como é feita nos dias

de hoje.

PALAVRAS-CHAVE: calor, lençol térmico, dispositivo

x

ABSTRACT

Heat is used in the treatment of various types of problems and as thermal blankets

produces heat, can be used in many treatments, in vertebral column, knee, shoulder,

and other regions. This apparatus is a sort of blanket with several electrical resistors

that, when connected to an electrical outlet produces heat by means of the Joule

effect increasing temperature in this manner. In some cases, there are patients that

have difficulty in movement, making them suffer body injuries due to their skin in

constant contact with the mattress, with the use of the thermal blanket these injuries

are reduced. However, after some time of use, it is necessary that a person verifies

the blanket temperature to assure that the desired temperature is attained. The

purpose of this work is to develop a device that can be adapted to the thermal

blanket to control temperature, using sensors and a microcontroller of the 8051

family, eliminating the manual reading as is being done nowadays.

KEY-WORDS: heat, thermal blanket, device

1

1. INTRODUÇÃO

Em pacientes acamados por longo período de tempo e impossibilitados de

realizar movimentos, apresentam um quadro de compressão, e conseqüente

destruição tecidual. As lesões mais comuns que acometem a pele são as úlceras de

pressão ou “escaras”, levando à sua destruição parcial ou total.

As “escaras” são lesões na pele que surgem devido à falta de irrigação

sanguínea adequada à agressão à pele que recobre a região óssea nas zonas em

que foi comprimida, friccionada ou arrastada contra uma cama, uma cadeira de

rodas, uma tala ou outra estrutura rígida durante um período prolongado.

Esses tipos de lesões, mais comuns em pacientes acamados, representam

grande ameaça ao indivíduo, pois, além de causar desconforto, geram uma série de

distúrbios no organismo, como a perda significativa de proteínas orgânicas, fluídos e

eletrólitos. Isso pode levar a um quadro de debilidade progressiva com conseqüente

baixa na resistência imunológica, o que pode possibilitar a entrada de

microorganismos nocivos.

A prevenção é a melhor forma de evitar o surgimento desse tipo de lesão, uma

maneira de se prevenir é com o uso de calor.

Vários estudos sobre os efeitos do calor aplicado por fisioterapeutas aos

pacientes mostraram que o calor é um excelente meio analgésico para dor de

origem não inflamatória, pois faz com que aumente o fluxo sangüíneo no corpo. O

calor é utilizado no tratamento de diversos tipos de problemas, os lençóis térmicos

produzem calor, logo muitos tratamentos podem se utilizar das suas vantagens

sejam na coluna vertebral, joelho, ombro e outras regiões (MOURA, 2005).

O lençol térmico é uma espécie de manta com vários resistores elétricos, que

quando ligados a rede elétrica, dispersa calor através do efeito Joule aumentando,

deste modo, a temperatura. Porém quando utilizado na prevenção desse tipo de

problema, encontra-se uma desvantagem, pois a um determinado período de tempo

é necessário que uma pessoa verifique a temperatura do lençol para que o mesmo

esteja na temperatura desejada (em torno de 37°C).

Afim de solucionar o problema, será proposto a automatização deste lençol,

desenvolvendo um dispositivo para controlar a temperatura utilizando sensores do

tipo NTC (Negative Temperature Coeficent) e um microcontrolador da família do

2

8051. O aparelho irá estabilizar a temperatura num valor pré-definido, mantendo o

lençol aquecido, enquanto estiver ligado à rede elétrica.

3

2. OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é desenvolver um dispositivo que será adaptado

junto ao lençol térmico para controlar a temperatura do lençol, utilizando sensores do

tipo NTC (Negative Temperature Coeficent) e um microcontrolador da família 8051,

eliminando a leitura manual como é feita nos dias de hoje. O aparelho irá estabilizar

a temperatura num valor pré-definido, mantendo o lençol aquecido, enquanto estiver

ligado a rede elétrica.

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3. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

A importância da medida de temperatura neste projeto consiste em obter a

temperatura, para realizar o controle da intensidade do calor do lençol através do

dispositivo a ser criado. Para se escolher um sensor de temperatura existem

diversos fatores que devem ser levados em conta, pois qualquer variação na

temperatura de um corpo faz com que, o mesmo, sofra modificações, como por

exemplo, variação de dimensões do material, mudança na resistência elétrica, uma

fem (força eletromotriz) termoelétrica para a união de dois metais diferentes ou uma

variação na intensidade e cor da radiação emitida pelo corpo quente.

Dentre os vários sensores de temperatura estão os chamados sensores

resistivos, cujo princípio de funcionamento é baseado na variação de resistência de

condutores elétricos com a temperatura, para qualquer material condutor pode-se

relacionar a resistência em função de suas dimensões físicas e de sua resistividade.

A base física que relaciona a resistência com a variação de temperatura é a

resistividade do material, ρ . A resistência de um condutor de comprimento L, e área

transversal A, é dada na equação (1) por (WERNECK, 1996):

A

LR ρ= (1)

Alguns sensores podem apresentar coeficientes de temperatura (TC), positivos

(PTC) ou negativos (NPC). Os sensores resistivos mais comuns são denominados

RTD (Resistive Temperature Detectors) e o termistor.

O RTD (Resistive Temperature Detectors) ou detectores resistivos de

temperatura são construídos através de um fio de metal envolvendo uma estrutura

isolada, que elimina o efeito do stress mecânico. O stress mecânico muda a

resistência do condutor, e portanto altera a resistência, e deve ser eliminado para

uma medição mais precisa. Garantir a mínima influencia do stress mecânico na

variação da resistência do RTD é a condição básica para construir sensores

precisos utilizando um metal (BECKWITH,1993). A figura 1 apresenta um sensor do

tipo RTD encontrado no mercado.

Figura 1: Sensor RTD

5

A relação entre a resistência do metal e a temperatura, mostrada na figura 2, é

expressa na equação (2), através de uma aproximação polinomial:

( ) ( )[ ]...12

000+−+−+= TTTTRR βα (2)

Onde:

0R = resistência de referencia medida na temperatura

0T ;

,..., βα = parâmetros do material (WERNECK, 1996).

Figura 2: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) do sensor RTD (fonte: BRAGA,

Newton C.).

Para pequenas variações na temperatura pode-se aproximar a expressão

acima, como mostra a equação (3):

( )[ ]00

1 TTRR −+= α (3)

Onde:

α = coeficiente de temperatura da resistência do material

(BALBINOT,2007).

A platina, por exemplo exibe uma linearidade com precisão de +/- 0,3% sobre a

faixa de 0-200 °C, e +/- 1.2% na faixa de 200-800 °C.

A sensibilidade pode ser determinada pela equação (4), por:

6

α0

RdT

dRK == (4)

Ou seja, quanto maior o coeficiente de temperatura, α , e/ou maior a

resistência 0

R , maior a sensibilidade. Uma definição muito utilizada é a do

coeficiente de temperatura, conforme a expressão (5) abaixo (WERNECK, 1996):

dT

dR

RR

K

00

1==α (5)

O material mais comum utilizado no RTD é a platina, que proporciona uma

medição de temperatura com grande precisão. O motivo de tal escolha recaía pela

extensa faixa de linearidade e também pela alta estabilidade.

Apesar da boa linearidade dos sensores de tipo RTD, os mesmos possuem

uma limitação prática. Normalmente os RTDs possuem constante de tempo elevada,

comparada com outros sensores de temperatura, dessa forma limitando a aplicação

em sistemas cujos variam muito rápido no tempo (BALBINOT,2007).

Logo, pode-se afirmar que os RTDs, sensores do tipo PTC na maioria das

vezes confeccionados de platina, possuem vantagens, como, a linearidade e a

repetibilidade de valores, tem uma faixa de temperatura de -200º C a 850º C, com

precisão de +/- 0,01º C, um sinal de saída que consiste numa resistência.

Normalmente são usados na compensação de junções frias, na medida de

temperatura em pontes e processos de calibração e controle.

Os termistores são resistores sensíveis a temperatura, mostrados na figura 3.

Em geral são construídos de materiais cerâmicos a base de semicondutores,

diferente dos RTDs, esses sensores tipicamente diminuem a resistência quando a

temperatura aumenta (NTC), mas também podem aumentar a resistência com a

temperatura (PTC).

7

Figura 3: Termistores PTC e NTC (fonte: SOARES, Márcio J.).

A expressão (6) relaciona a variação da resistência em função da temperatura

e também exemplificado no gráfico da figura 4:

( )0/1/1

0

TT

TeRR

−= β (6)

Onde:

β varia 3500 a 4600K (BECKWITH,1993).

Figura 4: Gráfico Resistência(Ohms) x Temperatura(°C) dos sensores PTC e NTC (fonte:

SOUZA, Gustavo R.).

A expressão (7) é da sensibilidade e é dada por:

22

)/1/1(

00

T

R

T

eR

dT

dRK

T

TT

Tββ β −

=−

==−

(7)

E define-se na expressão (8) o coeficiente da temperatura (BALBINOT,2007):

2TR

K

T

βα

−== (8)

8

Uma importante característica deste sensor é o baixo valor da constante de

tempo permitindo que este sensor seja utilizado em sistemas onde a freqüência do

sinal de entrada varie mais rapidamente (BECKWITH,1993).

A falta de linearidade de termistor pode ser reduzida colocando-se um resistor

em paralelo. O resistor tem a função de reduzir a falta de linearidade.

O resistor paralelo pode ser calculado pela equação (9), como sendo :

TP

TP

X

RR

RRR

+= (9)

No entanto, uma maior linearidade acarreta uma menor sensibilidade, pois esta

última depende do valor da resistência de forma proporcional. A sensibilidade para a

associação dos resistores pode ser definida na expressão (10), como sendo

(BALBINOT,2007):

X

X

R

dTdR /=α (10)

Logo, pode-se afirmar que o termistor é um dispositivo a qual possui resistência

variável com a temperatura do seu material, essa variação pode ser de causa

externa (aumento da temperatura ambiente) ou interna (o calor à sua própria

dissipação térmica), a maior parte desses sensores é do tipo NTC (WERNECK,

1996). As vantagens deste dispositivo são principalmente para medidas qualitativas

ou para controle, tem uma faixa de temperatura de -100 a +450º C, precisão de +/-

0,1ºC, um sinal de saída que consiste numa resistência. Normalmente usados na

compensação de junções frias, pontes de medida, calibração de pirômetros,

anemômetros, medidores de fluidos, medidores de nível de líquidos e condutividade

térmica.

Em contrapartida existe o par termoelétrico ou termopar, mostrado na figura 5,

o mais comum método de medida e controle de temperatura que utiliza um circuito

elétrico, o qual consiste de dois condutores elétricos feito de metais diferentes tendo

uma conexão elétrica. A saída de um termopar é uma tensão, existe uma relação

entre a voltagem e a diferença de temperatura submetida pela junção. Caso se

possua duas junções denominadas de T1 e T2 e suas temperaturas forem diferentes

então pode-se medir uma tensão entre os terminais. A magnitude da tensão medida

depende das temperaturas e em particular dos metais utilizados.

9

Figura 5: Termopar.

Na tabela 1, temos diversos tipos de termopares de acordo com os materiais

usados e sua faixa de temperatura. De acordo com o material que o termopar é

produzido, possui uma característica de tensão, como mostra a figura 6. As

diferenças de características obtidas para os vários tipos vão determinar suas

aplicações.

TIPO METAIS USADOS FAIXA DE TEMPERATURA

(°C)

E Chromel, Constantan -200 a 900

J Iron, Constantan 0 a 760

K Copper, Constantan -200 a 371

N Nicrosil, Nisil 0 a 1260

S Platinum (10% Rhodium), Platinum 0 a 1480

B Platinum (30% Rhodium), Platinum (6% Rhodium) 0 a 1820

R Platinum (13% Rhodium), Platinum 0 a 1480

Tabela 1: Tipos, metais usados e faixa de temperatura dos termopares.

A tensão na saída pode ser calculado na expressão (11), como sendo:

( ) ( )2

2

2

121TTTTV −+−= γα (11)

Que normalmente é aproximada na equação (12), para:

( )21 TTV −= α (12)

Onde:

α = coeficiente de Seebeck, ou sensibilidade térmica, que depende do

termopar (BECKWITH, 1993).

10

Figura 6: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) dos diversos tipo de termopares (fonte: BRAGA,

Newton C.).

O fenômeno termoelétrico resulta do fluxo de calor e de eletricidade nos

condutores elétricos. Ambos os fenômenos são devidos aos elétrons livres nos

metais, um bom condutor elétrico também é um bom condutor térmico. Existem dois

efeitos envolvidos no termopar:

a) efeito Seebeck: refere-se a geração de um potencial elétrico de um circuito

termopar em aberto, devido a diferença de temperatura. Esta tensão é medida

quando não há corrente circulando. O coeficiente de Seebeck é definido na

expressão (13):

ertocircuitoabT

V

∂

∂=α (13)

b) efeito de Peltier: neste caso uma tensão externa irá produzir uma corrente

fazendo com que um lado do termopar se aqueça e outro se esfrie. A diferença

de temperatura dependerá dos materiais envolvidos.

Os termopares possuem leis fundamentais, são elas:

a) Lei do material homogêneo: esta lei determina que um material

homogêneo não pode ser utilizado para criar um circuito com termopar, ou

seja, o termopar é constituído de no mínimo dois materiais diferentes.

11

b) Lei de materiais intermediários: a soma algébrica das forças

termoelétricas num circuito composto por diferentes metais é igual a zero,

se em todo o circuito a temperatura for constante.

c) Lei da temperatura intermediária: se dois materiais diferentes produzem

uma tensão V1 quando as junções estão submetidas as temperaturas T1 e

T2, e produzem uma tensão V2 quando submetidas as temperaturas T2 e

T3, então quando submetidas as temperaturas T1 e T3 a diferença de

potencial será V1+V2 (BALBINOT,2007).

Logo pode-se afirmar que os termopares são dois metais diferentes em contato

elétrico, existirá certa diferença de potencial entre os metais, que é a função da

temperatura, este fenômeno recebe o nome de efeito termoelétrico e é usado para

medir temperaturas em um range muito grande (WERNECK, 1996). A vantagem

deste dispositivo é a facilidade de medir a temperatura bastando medir a tensão do

termopar e procurar na tabela fornecida pelo fabricante a respectiva temperatura, o

termopar tem uma faixa típica de temperatura de -270º C a 1800º C, precisão típica

de +/- 0,5°C, tensão como sinal de saída. Normalmente são usados no

sensoriamento de temperaturas muito altas, pois diferentes dos outros tipos são os

que podem suportar os valores mais altos. Como por exemplo, o controle de

temperatura de fornos, motores de combustão, etc.

Uma breve comparação dos sensores pesquisados é apresentado na tabela 2

a seguir:

TIPO DE SENSOR FAIXA DE TEMPERATURA PRECISÃO

RTD -200º C a 850º C +/- 0,01º C

Termistores -100°C a 450º C +/- 0,1º C

Termopar -270º C a 1800º C +/- 0,5°C

Tabela 2: tipo do sensor, faixa de temperatura e precisão.

Portanto neste projeto será utilizado os sensores do tipo NTC, pois não

pretende-se controlar temperaturas muito altas e nem muito baixas, a temperatura

que se deseja controlar não irá ultrapassar os 40°C, tendo início na temperatura

ambiente. Outro fator importante é que este tipo de sensor é fácil de ser encontrado

no mercado e apresenta baixo custo.

12

4. MATERIAIS E MÉTODOS

A fim de controlar a temperatura do lençol térmico foi criado um dispositivo

utilizando como componentes básicos, sensores do tipo NTC, conversor

Analógico/Digital e um microcontrolador da família 8051.

A relação de materiais junto com suas utilidades na placa, segue abaixo:

• 1 Microcontrolador Atmel AT89C52 com 8Kb de Memória usado para

capturar os dados do conversor ADC e controle da temperatura do

lençol.

• 2 Amplificadores Operacionais LM324N para amplificar a entrada dos

sensores.

• 1 Temporizador LM555CH para criar o clock para o ADC0808.

• 1 Conversor Analógico/Digital ADC0808 para converter o sinal analógico

dos sensores em digitais;

• 2 Capacitores 33pF utilizado para fazer o clock do microcontrolador;

• 4 Capacitores de 47uF utilizado na entrada de cada canal.

• 1 Capacitor de 10uF utilizado no reset do microcontrolador;

• 1 Capacitor de 10uF utilizado no clock do ADC0808;

• 1 Capacitor de 1uF utilizado no clock do ADC0808;

• 1 Resistência de 10K ohms utilizada no reset do microcontrolador;

• 4 Resistências de 470 ohms na entrada de cada canal;

• 2 Resistências de 8K ohm no Vref;

• 1 Resistência de 100 ohm utilizada no clock do ADC0808;

• 1 Resistência de 680 ohm utilizada no clock do ADC0808;

• 1 Resistência de 10K ohms utilizada no controle liga/desliga do lençol

térmico;

• 1 Transistor BD 135 utilizado no controle liga/desliga do lençol térmico;

• 1 relé com uma bobina de 12v utilizado no controle liga/desliga do lençol

térmico;

• 1 Cristal gerador de clock 11.0592Mhz utilizado para fazer o clock do

microcontrolador;

• 4 resistências de 1K ohms no sensor do tipo NTC;

• 4 sensores do tipo NTC para realizar a leitura da temperatura.

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5. PROJETO

5.1 Descrição do Hardware

A placa contém um microcontrolador 8051 (MC 8051), 4 termistores do tipo

NTC, conversor Analógico/digital (ADC) e componentes eletrônicos para o seu

funcionamento e exercer o controle da temperatura do lençol térmico.

No projeto existem quatro sensores do tipo NTC colocados em lugares

estratégicos do lençol, esses sensores fazem a leitura da temperatura e enviam

esses dados para um conversor Analógico/Digital.

Após a conversão do sinal analógico para digital, os dados são transmitidos ao

microcontrolador 8051 que depois da captura desses dados, faz a interpretação

através de um software desenvolvido em Assembly, que está gravado na memória

do microcontrolador deixando o lençol produzir calor ou desliga-o fazendo com que a

temperatura diminua, deste modo controlando a temperatura do lençol, a figura 7

exemplifica o projeto em um diagrama de bloco.

Figura 7: Diagrama de bloco do projeto.

5.1.1 Microcontrolador 8051

O microcontrolador é um componente eletrônico que já tem incorporado em

seu invólucro vários blocos, por exemplo, memória de programa, memória de dados,

conversor analógico-digital, porta serial. As principais características deste

componente são: CPU otimizada de 8 Bits, espaço de endereçamento de 64K bytes

de memória de programa, espaço de endereçamento de 64K bytes de memória de

dados, 128 bytes de RAM interna, 32 linhas de entrada./saída bidirecionais e

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individualmente endereçadas, 2 contadores/Temporizadores de 16 bits, uma porta

serial do tipo USART, oscilador interno e 5 níveis de interrupção.

A pinagem do 8051 é mostrada na Figura 8, com uma breve descrição do

pinos:

Figura 8: Pinagem do 8051.

P0.1-P0.7 ( Porta P0) – Porta bidirecional com pinos individualmente

endereçáveis.No acesso a memória externa fornece os endereços da parte menos

significativa e dos dados, portanto esta porta é multiplexada;

P1.0-P1.7 ( Porta P1) – Porta bidirecional com pinos individualmente

endereçáveis.

P2.0-P2.7 (Porta P2) – Porta bidirecional com pinos individualmente

endereçáveis. No acesso a memória externa fornece os endereços da parte mais

significativa.

P3.0-P3.7( Porta P3) - Porta bidirecional com pinos individualmente

endereçáveis. Porta de uso múltiplo, conforme a descrição abaixo:

P3.0 ( RxD ) – receptor da porta serial;

P3.1 ( TxD ) – transmissor da porta serial;

P3.2 ( INT0 ) - entrada da interrupção externa 0;

P3.3 ( INT1 ) - entrada da interrupção externa 1;

P3.4 ( T0 ) – entrada do timer 0;

P3.5 ( T1 ) – entrad do timer 1;

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P3.6 ( WR ) – sinal de escrita na memória de dados externa;

P3.7 ( RD ) – sinal de leitura na memória de dados externa;

RESET – entrada do sinal elétrico para inicializar o microcontrolador;

X1 e X2 – entrada do sinal de clock;

PSEN - sinal de saída que indica o acesso a memória de programa externa;

ALE – sinal de saída utilizado para separar os endereços menos significativos

dos dados;

EA - entrada que indica o local do acesso a memória de programa :

0 – memória externa;

1- memória interna;

Este componente tem o papel no projeto de coletar os dados do conversor

analógico/digital (ADC0808), interpretar os dados através do software gravado em

sua memória realizando o controle de temperatura do lençol.

5.1.2 Conversor Analógico/Digital (ADC )

O conversor A/D (ADC0808) é um circuito integrado fabricado pela National

Conductors, com características como: 8 portas de sinal, seleção da entrada a ser

convertida via endereços, definição de referência negativa, definição de referência

positiva e sinais de comunicação com microcontroladores.

Para trabalhar um sinal analógico neste projeto é necessário que haja um

processo de conversão dos dados onde o sinal é coletado e comparado com um

valor binário, permitindo desta forma a interpretação do sinal pelo microcontrolador.

Como o conversor Analógico/Digital (ADC 0808) exige um clock para

funcionamento, logo criou-se um oscilador de 500 Khz, com os seguintes

componentes: um temporizador (LM555), uma resistência de 680 ohms, uma

resistência de 100 ohm, um capacitor de 1uF e um capacitor de 10 nF.

Este circuito tem o papel de receber os sinais dos sensores, converte-los em

valores binários e enviá-los ao microcontrolador 8051.

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5.1.3 Sensor NTC

A fim de verificar a linearidade do sensor NTC montou-se um circuito, contendo

como base 2 termistores do tipo NTC, onde foram realizados os testes pra

verificação de temperatura, utilizando os seguintes componentes:

• 2 termistores do tipo NTC(1K Ohms / 25 °C);

• 1 fonte de energia (5 Volts);

• 1 cuba térmica;

• 1 multímetro com termômetro;

• 1 multímetro comum;

• 1 circuito integrado LM474C;

• 1 resistência (1.2 Ohms).

Primeiramente foi montado o circuito utilizando o circuito integrado LM474CN, a

resistência (1.2K Ohms), os 2 termistores e a fonte de energia, a pinagem do

LM474CN é apresentado na figura 9:

Figura 9: Ordem dos números de pinagem do LM474CN

Com essas informações foi possível montar o circuito, como mostra a figura 10:

Figura 10: Esquema do circuito.

17

A figura 11 mostra uma foto do circuito montado, para a verificação da tensão

dos sensores do tipo NTC.

Figura 11: Imagem do circuito montado.

Com o auxilio de um multímetro com termômetro e um multímetro comum,

mediu-se tanto a temperatura quanto a voltagem que o termistores do tipo NTC

apresentavam, enquanto a cuba térmica era aquecida, a temperatura nesta cuba

possui um range entre 30°C à 60°C, como mostra a figura 12, abaixo:

Figura 12: Diagrama do teste de linearidade do sensor NTC.

18

Os resultados obtidos do Termistor 1, são mostrados na tabela 3:

TERMISTOR 1 temperatura

(°C) voltagem 31 2,41 32 2,37 33 2,33 34 2,30 35 2,23 36 2,19 37 2,15 38 2,08 39 2,04 40 2,01


(°C) voltagem 41 1,96 42 1,92 43 1,88 44 1,83 45 1,79 46 1,76 47 1,71 48 1,67 49 1,63 50 1,60


(°C) voltagem 51 1,56 52 1,52 53 1,48 54 1,45 55 1,41 56 1,37 57 1,35 58 1,31 59 1,28 60 1,25

Tabela 3: Temperatura e tensão do Termistor 1.

Com a ajuda do software Origin 7.0, que é um software utilizado para análise de

dados, gráficos técnicos e sistema de aquisição de dados, é possível desenhar um

gráfico com os dados obtidos em laboratório do Termistor 1.

30 35 40 45 50 55 60

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

B Linear Fit of Data1_B

Vo(

V)

T(Celsius)

Figura 13: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°C) do termistor 1.

A equação da reta pode ser calculada através da equação (14):

V = 3,64321 - 0,04063T ou (V = A – B .T) (14)

19

onde T = temperatura;

V = tensão;

Os resultados obtidos do Termistor 2, são mostrados na tabela 4:


(°C) voltagem 31 2,36 32 2,32 33 2,29 34 2,25 35 2,19 36 2,14 37 2,11 38 2,06 39 2,02 40 1,96


(°C) voltagem 41 1,94 42 1,90 43 1,85 44 1,80 45 1,77 46 1,73 47 1,69 48 1,63 49 1,59 50 1,57


(°C) voltagem 51 1,52 52 1,47 53 1,44 54 1,41 55 1,36 56 1,34 57 1,31 58 1,29 59 1,26 60 1,23

Tabela 4: Temperatura e tensão do Termistor 2.

Com a ajuda do software Origin 7.0 é possível desenhar um gráfico com os

dados obtidos em laboratório do Termistor 2.

30 35 40 45 50 55 60

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

B Linear Fit of DATA2_B

Vo(

V)

T(Celsius)

Figura 14: Gráfico Tensão(Volts) x Temperatura(°F) do termistor 2.

20

A equação da reta pode ser calculada através da equação (15):

V = 3,61343 - 0,04069T ou (V = A – B .T) (15)

onde T = temperatura;

V = tensão;

Segundo os testes realizados com os 2 termistores, não será necessário o

emprego de uma fórmula de linearização, pois a curva apresentada nos gráficos

obtidos com os dados coletados em laboratório, apresentaram uma proximidade

muito grande em relação a linha a qual é dada como linha linear dos dados (Linear

Fit).

5.1.4 Controle

O controle da temperatura do lençol foi feito através de um sistema “on-off” por

meio de um relé (figura 15) o qual liga ou desliga o lençol térmico, dependendo do

comando enviado pelo microcontrolador 8051 por meio da porta P2.0.

Figura 15: Esquema do relé usado no projeto.

21

5.1.5 Lençol Térmico

O lençol térmico (figura 16) é um tipo de lençol contendo resistores elétricos

que quando ligado produz calor através do efeito Joule, desta forma é capaz de

elevar a temperatura.

Figura 16: Foto de um Lençol térmico (fonte: Kenko Patto).

22

5.1.6 Esquema Geral

O esquema Geral da placa mostrado na figura 17, foi montado utilizando o

software Eagle, que é um programa para desenho de circuitos eletrônicos.

Figura 17: Esquemático da Placa.

23

5.1.7 Protótipo da placa

O protótipo da placa mostrado na figura 18, foi montado utilizando wire-up, que

é um método de ligação eletrônica por meio de fios.

Figura 18: Protótipo da placa.

24

5.2 Software

5.2.1 Fluxograma do Programa

A figura 19 exemplifica a lógica utilizada no programa desenvolvido em

Assembly e gravado no microcontrolador, para realizar a leitura dos sensores e a

maneira usada para controlar a temperatura da manta térmica.

Figura 19: Fluxograma do programa do microcontrolador.

INÍCIO

LIMITE SUPERIOR <= 40

CONFIGURA ADC

LÊ TEMPERATURA DO SENSOR 1 (S1)




CALCULA MÉDIA MEDIA =(S1+S2+S3+S4)/4

LENÇOL LIGADO?

MEDIA > LIMITE SUPERIOR?

MEDIA > LIMITE SUPERIOR?

SIM NÃO

DESLIGA LENÇOL TÉRMICO

LIGA LENÇOL TÉRMICO

SIM

NÃO SIM

NÃO

25

5.2.2 Software de teste

Com ajuda do compilador AVMAC51 para MS-DOS, versão 1.12 de 1986, da

empresa Avocet System Inc., foi criado um programa em Assembly, mostrado no

Apêndice, somente para efetuar os primeiros testes com o microcontrolador 8051,

onde o mesmo gera uma onda quadrada no Pino 1.0.

5.2.3 Software completo

O Software desenvolvido em Assembly chamado de “LEITURA” segue no

Apêndice, este programa realiza o controle de temperatura, o qual está gravado na

memória do microcontrolador.

26

6. CONCLUSÃO

O desenvolvimento deste projeto teve como referência à necessidade de se

controlar, de forma automatizada, a temperatura em um lençol térmico. No decorrer

deste trabalho foi possível efetuar este controle, utilizando componentes de baixo

custo, disponíveis no mercado brasileiro.

A utilização dos sensores do tipo NTC, mostrou-se eficiente nesta aplicação,

pois apesar deste sensor não oferecer uma linearidade numa faixa extensa de

temperatura, na faixa de interesse, 20°C à 40°C, apresentou-se linear.

Os testes para validar o projeto como a de verificar a linearidade do sensor

NTC, o programa desenvolvido em Assembly, gravação no microcontrolador para

realizar a leitura dos sensores e para controlar a temperatura da manta térmica

foram realizados no laboratório a universidade São Francisco.

A fim de aperfeiçoar este projeto no futuro, pode-se melhorar o próprio

dispositivo aumentando o número de sensores na face do lençol acrescentando

também o número de canais na placa coletora, melhorando deste modo a precisão

da temperatura por todo o lençol, o uso de um display no dispositivo para que o

usuário possa ver o aumento da temperatura enquanto o lençol esquenta e o de um

aviso sonoro quando a temperatura desejada for reconhecida pelo dispositivo. Outra

melhoria importante neste projeto será a segurança do paciente no caso de algum

componente eletrônico apresentar problemas, neste caso soará um alarme alertando

que o aparelho sofreu algum dano.

Numa próxima etapa serão feitos os testes no equipamento real, e

devidamente acompanhado de uma equipe médica.

27

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BALBINOT, Alexandre; BRUSAMARELLO, Valner. Instrumentação e Fundamentos de medida. Rio e Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2007.

BECKWITH, Thomas G., MARANGONI, Roy D., LIENHARD, John H. Mechanical

measurements. 5. ed. California: Addison-Wesley, 1993.

BOLTON, W. Instrumentacao e controle. São Paulo : Hemus. GIMENEZ, Salvador P. Microcontroladores 8051. São Paulo: Pearson Education, 2002. MOSKOWITZ, R. W.: Clinical Rheumatology - A Problem Oriented Approach to Diagnosis and Management - Lea & Febiger - 1975. Current Diagnosis & Treatment. 1979 - Lange Medical Publications.

MOURA, Carlos E. M. de. Úlceras de pressão: prevenção e tratamento. Univ. Ci.

Saúde, Brasília, v.3, n.2, p.275-286, jul./dez. 2005.

SILVA JR., Vidal Pereira. Microcontrolador 8051. São Paulo: Érica, 1990. ______. Aplicações práticas do microcontrolador 8051. 6. ed. São Paulo: Érica, 1994. SMELTZER, S. C., BARE, B. G. Brunner & Suddarth: tratado de enfermagem médicocirúrgica. 7.ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1994. WERNECK, Marcelo Martins. Transdutores e Interfaces. Rio de Janeiro : Livros Técnicos e Científicos, 1996.

28

8. REFERÊNCIAS CONSULTADAS

BRAGA, Newton C. Escolhendo Sensores de Temperatura. Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/182. Acesso em: 07/03/09. ______. Interfaceamento e linearização com o microconversor ADuC8xx. Disponível em: http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/354. Acesso em: 10/10/09. CONFORTO E TERAPIA. Disponível em: http://www.confortoeterapia.com.br/produtos_descricao.asp?lang=pt_BR&codigo_produto=109. Acesso em 08/3/09. KENKO PATTO. Lençóis Térmicos. Disponível em: http://www.kenkopremium.com.br/lencois-termicos.php. Acesso em: 07/03/09. LENÇOL DURMA QUENTE. Que tal deitar em uma cama bem quentinha? Disponível em: http://www.lencoldurmaquente.com.br/lencol.html. Acesso em: 02/03/09. MOREIRA, Lúcia. Medição de Temperatura Usando-se Termopar. Disponível em: http://www.ceramicaindustrial.org.br/pdf/v07n05/v7n5_6.pdf. Acesso em: 08/03/09. SOARES, Márcio J. Termômetro duplo com Logo. Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/48. Acesso em: 10/10/09. SOUZA, Gustavo R. Termistores – NTC e PTC. Disponível em: http://www.eletrica.ufpr.br/piazza/materiais/Gustavo&Ishizaki.pdf. Acesso em: 10/10/09.

29

9. APÊNDICE

Gera_onda.asm ; programa para gerar uma onda DEFSEG RES,START=0000H,CLASS=CODE SEG RES LJMP INICIO DEFSEG MAIN,START=100H,CLASS=CODE SEG MAIN INICIO: lx: cpl p1.0 ; inverte o pino 1.0 sjmp lx ; salto incondicional END INICIO ; fecha o programa

LEITURA.asm DEFSEG RES,START=0000H,CLASS=CODE SEG RES LJMP INICIO DEFSEG DADOS,START=30H,CLASS=DATA SEG DADoS SOMA DB 2 LIMITE DB 0 DEFSEG AQS,START=200H,CLASS=CODE SEG AQS AQUIS PROC ;LEITURA DA INPUT0 CJNE A,#1,L1 ; VERIFICA SE E CANAL 0 CLR P3.4 ; SETA 0 NO ADRESS A CLR P3.5 ; SETA 0 NO ADRESS B SETB P3.2 ; SETA 1 NO ALE NOP ; AGUARDA NOP ; AGUARDA CLR P3.2 ; SETA 0 NO ALE REP: JNB P3.3,REP ; AGUARDA O AOC RETORNAR 1 MOV A,P1 ; MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR SJMP FIM2 ; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA ;LEITURA DA INPUT1 L1: CJNE A,#2,L2 ; VERIFICA SE E CANAL 1 SETB P3.4 ; SETA 1 NO ADRESS A CLR P3.5 ; SETA 0 NO ADRESS B SETB P3.2 ; SETA 1 NO ALE NOP ; AGUARDA NOP ; AGUARDA CLR P3.2 ; SETA 0 NO ALE REP1: JNB P3.3,REP1 ; AGUARDA O AOC RETORNAR 1 MOV A,P1 ; MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR SJMP FIM2 ; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA ;LEITURA DA INPUT2 L2: CJNE A,#3,L3 ; VERIFICA SE E CANAL 2 CLR P3.4 ; SETA 0 NO ADRESS A SETB P3.5 ; SETA 1 NO ADRESS B SETB P3.2 ; SETA 1 NO ALE

30

NOP ; AGUARDA NOP ; AGUARDA CLR P3.2 ; SETA 0 NO ALE REP2: JNB P3.3,REP2 ; AGUARDA O AOC RETORNAR 1 MOV A,P1 ; MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR SJMP FIM2 ; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA ;LEITURA DA INPUT3 L3: SETB P3.4 ; VERIFICA SE E CANAL 3 SETB P3.5 ; SETA 1 NO ADRESS A SETB P3.2 ; SETA 1 NO ADRESS B NOP ; AGUARDA NOP ; AGUARDA CLR P3.2 ; SETA 0 NO ALE REP3: JNB P3.3,REP3 ; AGUARDA O AOC RETORNAR 1 MOV A,P1 ; MOVE O VALOR LIDO NO ACUMULADOR SJMP FIM2 ; SALTA PARA O RETORNO DA CHAMADA FIM2: RET ; VOLTA PARA O RETORNO DA CHAMADA AQUIS ENDPROC DEFSEG MED,START=300H,CLASS=CODE SEG MED MEDIA PROC MOV (SOMA+1),#0 ; ZERA A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL MOV (SOMA),#0 ; ZERA A VARIAVEL MOV R3,#4 ; SETA A QUANTIDADE DO LOOP MOV R0,#30H ; SETA A POSIÇÃO DA MEMORIA LSOMA: MOV A,@R0 ; MOVE O VALOR DA MEMORIA PARA ACUMULADOR ADD A,(SOMA+1) ; SOMA A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL SOMA COM O ; ACUMULADOR MOV (SOMA+1),A ; GRAVA NA SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL O RESULTADO MOV A,#0 ; ZERA O ACUMULADOR ADDC A,(SOMA) ; SOMA COM CARRY O ACUMULADOR COM A VARIAVEL SOMA MOV (SOMA),A ; MOVE O RESULTADO PARA A VARIAVEL SOMA INC R0 ; INCREMENTA O REGISTRADOR R0 DJNZ R3,LSOMA ; VERIFICA SE FEZ EM TODAS AS POSICOES DA MEMORIA ;GRAVADA MOV MOV R3,#2 ; SETA A QUANTIDADE DO LOOP LMEDIA: CLR C ; LIMPA O CARRY MOV A,(SOMA) ; MOVE PARA O ACUMULADOR A VARIAVEL SOMA RRC A ; DESLOCA COM CARRY PARA DIRETA MOV (SOMA),A ; MOVE O ACUMULADOR PARA A VARIAVEL SOMA MOV A,(SOMA+1) ; MOVE A SEGUNDA PARTE DA VARIAVEL SOMA PARA O ; ACUMULADOR RRC A ; DESLOCA COM CARRY PARA DIRETA MOV (SOMA+1),A ; MOVE O ACUMULADOR PARA A SEGUNDA PARTE DA ; VARIAVEL DJNZ R3,LMEDIA ; VERIFICA SE DESLOCOU 2 CASAS (DIVIDE POR 4) RET ; RETORNA PARA O PROGRAMA MEDIA ENDPROC DEFSEG MAIN,START=100H,CLASS=CODE SEG MAIN INICIO: MOV A,#205 ; MOVE PARA O ACUMULADOR O VALOR DE LIMITE MOV (LIMITE),A ; MOVE O VALOR DO ACUMULADOR PARA A VARIAVEL LIMITE VERIF: MOV R0,#30H ; SETA 30 NO REGISTRADOR0 COMO PONTEIRO ; DA MEMORIA MOV A,#1 ; MOVE PARA O ACUMULADOR O VALOR 1 PARA LEITURA DO

31

;PRIMEIRO CANAL MOV R1,A ; MOVE O VALOR DO ACUMULADOR PARA O REGISTRADOR1 T7: CALL AQUIS ; USA A CHAMADA DE AQUISICAO MOV @R0,A ; MOVE O VALOR LIDO PARA MEMORIA INC R0 ; INCREMENTA POSICAO DE MEMORIA INC R1 ; INCREMENTA CANAL MOV A,R1 ; MOVE O CANAL PARA O ACUMULADOR CJNE R1,#5,T7 ; VERIFICA SE LEU TODOS OS CANAIS CALL MEDIA ; USA A CHAMADA DE MEDIA JB P2.0,LP1 ; VERIFICA SE LENCOL ESTA LIGADO MOV A,(SOMA) ; MOVE A MEDIA PARA O ACUMULADOR CJNE A,(LIMITE),SX ; VERIFICA SE MEDIA > LIMITE SX: JC VERIF ; SE CARRY IGUAL 1 VOLTA PARA LEITURA SETB P2.0 ; LIGA O LENCOL TERMICO SJMP VERIF ; VOLTA PARA LEITURA LP1: MOV A,(SOMA) ; MOVE A MEDIA PARA O ACUMULADOR CJNE A,(LIMITE),SY ; VERIFICA SE MEDIA > LIMITE SY: JNC VERIF ; SE CARRY IGUAL 0 VOLTA PARA LEITURA CLR P2.0 ; DESLIGA O LENCOL TERMICO SJMP VERIF ; VOLTA PARA LEITURA END INICIO ; FECHA O PROGRAMA

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