turbidimetro com uso de fotodiodo

7/25/2019 Turbidimetro com uso de fotodiodo

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

Relatrio Final

Trabalho de Graduao II

Turbidmetro com uso de fotodiodo

Autor: Walter Wascheck Neto

Orientador: Prof. Dr. Luiz Otvio

Campinas, novembro de 2013


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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

Relatrio Final

Trabalho de Graduao II

Turbidmetro com uso de fotodiodo

Autor: Walter Wascheck Neto

Orientador: Prof. Dr. Luiz Otvio

Curso: Engenharia de Controle e Automao

Trabalho de Graduao apresentado Comisso de Graduao da

Faculdade de Engenharia Mecnica, como requisito para a obteno do ttulo de

Engenheiro de Controle e Automao.

Campinas, 2013

S.P. Brasil


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Agradecimentos

Este trabalho no poderia ser terminado sem a ajuda de diversas

pessoas e instituies s quais presto minha homenagem:

Ao Prof. Dr. Luiz Otvio cuja experincia e pacincia me possibilitaram,

em 6 meses destinados a disciplina de TG2, projetar, construir e testar um

projeto de complexidade que poucos tem a oportunidade de ter contato durante

a graduao.

Ao Sr. Marcilio Messias da Silveira pelo apoio e instruo durante a

montagem do projeto.

Faculdade de Engenharia Eltrica e Computao pela disponibilizao

de estrutura e materiais usados no decorrer do projeto.


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Sumrio

Resumo ......................................................................... 1

Lista de Figuras .............................................................. 2

Lista de Tabelas .............................................................. 3

1. Introduo e Objetivos ................................................ 4

2. Reviso Bibliogrfica ................................................... 6

2.1. Medidas de Turbidez .............................................. 6

2.2. Transmisso de sinais ............................................ 82.2.1.

Modulao por Amplitude de pulso ..................................... 8

2.3. Turbidmetro ......................................................... 9

2.3.1. Elementos bsicos ........................................................... 9

2.3.2. Modelo alvo .................................................................. 10

2.4. Acionamento pulsado de LEDs.............................. 11

2.5. Fotodiodos .......................................................... 11

2.5.1. Condicionamento do Sinal ............................................... 12

3. Circuitos Propostos ................................................... 13

3.1. Acionamento do LED ............................................ 13

3.2. Circuito Amplificador ............................................ 14

4. Projeto de circuito completo ....................................... 17

4.1. Componentes ...................................................... 17

4.1.1. PIC 18F4550 ................................................................. 18

4.2. Circuitos ............................................................ 21

4.2.1. Circuito de acionamento do LED ...................................... 21

4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23

4.2.3. Circuito para controle do dispositivo ................................. 24


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4.2.4. Circuito de reset do PIC .................................................. 29

4.2.5. Circuito de alimentao .................................................. 29

4.2.6. Comunicao USB com Computador ................................. 30

4.3. Testes ............................................................... 335. Projeto .................................................................... 36

5.1. Projeto de circuito impresso .................................. 36

5.1.1. Layout ......................................................................... 36

5.1.2. Mtodo para confeco ................................................... 39

5.2. Projeto da cmara escura ..................................... 42

5.3. Programao ...................................................... 45

5.3.1. Configurao ................................................................. 45

5.3.2. Comunicao USB com PC .............................................. 48

5.4. Projeto completo ................................................. 50

6. Resultados .............................................................. 52

7. Concluses e perspectivas ......................................... 57

8. Bibliografia .............................................................. 58


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Resumo

WASCHECK, Walter, Turbidmetro com uso de fotodiodo, Faculdade de

Engenharia Mecnica, Universidade Estadual de Campinas, Trabalho deGraduao.

Busca-se apresentar, de forma simples, como podemos fazer a

construo de um aparelho capaz de medir a turbidez de lquidos atravs do

uso de componentes eletrnicos simples e de baixo custo. So apresentados

conceitos presentes do universo da turbidimetria aplicados ao cenrio tcnico

de projeto de circuito eletrnico. Sugere-se o uso de um fotodiodo e so

apresentadas sugestes de circuitos e componentes eletrnicos capazes de

suprir as necessidades apresentadas pela aplicao almejada. Alm disso,

apresenta-se o mtodo de confeco de circuitos manual e os testes realizados

para mostrar que os projetos sugeridos respondem de maneira potencialmenteaplicvel ao mercado.

Palavras Chave: Turbidmetro, sensores, fotodiodos, turbidez.


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Lista de Figuras

Figura 2.1 - Representao esquemtica das tcnicas de medio de

turbidez ................................................................................................... 6

Figura 2.2 Modulao por amplitude de pulso .................................. 9

Figura 2.3 Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003) .......... 10

Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LEDs (Martins,

2012). ................................................................................................... 14

Figura 3.2 - Amplificador de transimpedncia para a monitorao da

fotocorrente ........................................................................................... 15

Figura 4.1 Pinos PIC 18F4550 ...................................................... 19

Figura 4.2 - Circuito acionador do LED ............................................. 22Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo ..................................... 23

Figura 4.4 Filtro para eliminar rudos na alimentao dos componentes 24

Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequncias prximas a

duas vezes a frequncia do sinal. .............................................................. 26

Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing ........................................................ 27

Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema ..................................... 28

Figura 4.8 - Circuito para reset ....................................................... 29Figura 4.9 - Circuito para alimentao de 5V constantes .................... 30

Figura 4.10 - Circuito para comunicao USB geral (Pictronics.com,

Acessado em 02/10/2013) ....................................................................... 31

Figura 4.11 - Esquemtico final ...................................................... 32

Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo ................................... 33

Figura 4.13 - Comportamento da tenso em relao distancia do

emissor ................................................................................................. 34

Figura 5.1 - Topografia da camada superior ..................................... 37

Figura 5.2 - Topografia da camada inferior ....................................... 38

Figura 5.3 - Topografia completa .................................................... 38

Figura 5.4 - Esquemtico de placa de cobre genrica......................... 39

Figura 5.5 - Placa com mscara de tonner - Camada superior ............ 41


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3

Figura 5.6 - Placa com mscara de tonner - Camada inferior .............. 41

Figura 5.7 - Circuito montado com componentes .............................. 42

Figura 5.8 - Esquemtico da cmara escura ..................................... 43

Figura 5.9 - Cmara escura pronta .................................................. 44

Figura 5.10 - Configurao do ADCON1 ........................................... 46Figura 5.11 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47

Figura 5.12 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA ......................... 47

Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID ............................. 49

Figura 5.14 - Estrutura completa montada ....................................... 51

Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentraes: 100%, 70%, 30%,

0%) ...................................................................................................... 52

Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos ............................... 54Figura 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico .................... 55

Lista de Tabelas

Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4

considerando alimentao de 3.3V. ........................................................... 13

Tabela 3.2 - Parmetros do BPV10NF .............................................. 16

Tabela 4.1 - Componentes. ............................................................ 17

Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED. ....................... 22

Tabela 4.3 - Tenses de sada do fotodiodo ...................................... 34

Tabela 6.1 - Concentrao das amostras.......................................... 52

Tabela 6.2 - Mdias e desvio padro das leituras dos fotodiodos ......... 53

Tabela 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico ................... 53


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1.Introduo e Objetivos

Atualmente, um importante problema encontrado nos cenrios de

anlise de efluentes e da qualidade de rios crregos a turbidez da gua. Do

ponto de vista sanitrio, a importncia da medida da turbidez da gua estintimamente relacionada a trs aspectos principais:

a. Esttica: comum relacionar-se gua turva com gua poluda,

inclusive em nveis de pequena turbidez, ou seja, a determinao

da turbidez da gua pode levar a um tratamento para que ela seja

mais bem aceita pelas pessoas.

b. De filtrabilidade: em tratamento de guas, a filtrao torna-se

mais difcil, ou mesmo mais onerosa, com o aumento da turbidez,

ou seja, a determinao dessa caracterstica da gua, pode levar a

adaptaes no tratamento que tornem o processo menos oneroso

ou custoso em relao a tempo.

c. De desinfeco: a desinfeco da gua tanto mais difcil quanto

maior a sua turvao, uma vez que esta diminui o contato do

desinfectante com os microrganismos, ou seja, a determinao da

turbidez pode levar uma prvia do resultado da desinfeco.

Apesar de j existirem equipamentos para a determinao da turbidez

da gua, eles ainda so caros, ou pouco precisos. Nesse cenrio, o

desenvolvimento de um equipamento que seja capaz de medir a turbidez de

uma amostra, com baixo custo passa a ser um assunto de interesse.

O objetivo desse trabalho o projeto e a construo de um medidor deturbidez de baixo custo com uso de fotodiodos como fotodetector. O fotodiodo

comumente associado a uma maior sensibilidade quanto a deteco de luz

(Garca, 2007), o que se torna muito interessante para o projeto de um

equipamento que deve, ao receber um sinal de luz, gerar dados slidos para

interpretao quanto turbidez da amostra analisada.


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Para tanto, como referncia, foi usado um trabalho desenvolvido por

Martins, G. S. (2012). (Construo de um turbidmetro de baixo custo para

controle de qualidade de efluentes industriais.)entretanto, houve a substituio

do fototransistor, usado pelo autor, por um fotodiodo. Um ponto importante

que o resultado do trabalho no implica em um produto pronto, apenas em umprottipo capaz de medir a luminosidade que atravessa uma amostra de gua,

sendo que, vrias mudanas relacionadas mtodos de fabricao, materiais, e

empacotamento podem ser implementadas para melhoramento dos resultados

obtidos.


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2.Reviso Bibliogrfica

2.1. Medidas de Turbidez

Quando um feixe de luz passa atravs de um fluido contendo partculas

slidas, essas partculas interagem com a luz, absorvendo-a e dispersando-a

em todas as direes, essa interao a responsvel pela caracterstica de

turbidez dos fluidos. As medidas turbidimtricas so obtidas atravs da

quantizao da diminuio da radiao que passa pelo fluido para medir a

turbidez do meio analisado.

Para essas medidas de turbidez existem duas possibilidades, a

turbidimetria e a nefelometria. A diferena bsica entre essas duas tcnicasest na disposio do detector de radiao, na primeira o detector

posicionado a 180 do feixe incidente de luz, j a segunda mede a disperso da

radiao num ngulo de 90 do feixe. Um arranjo esquemtico e representado

na figura 2.1.

Figura 2.1 - Representao esquemtica das tcnicas de medio de turbidez

Alm da densidade de matria misturada ao fluido, outras caractersticas

como tamanho e formato das partculas e comprimento de onda da fonte de

radiao afetam a intensidade de radiao medida (MORAIS; RANGEL, 2006).


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O interesse na determinao da turbidez de um fluido est, quase que

exclusivamente, na inferncia da concentrao de partculas em suspenso.

Existe ento, a necessidade de se criar uma correlao entre a turbidez medida

e a concentrao encontrada no meio, o que se torna complicado, visto que no

s a concentrao de matria o que influncia nas medidas turbidimtricas.

No trabalho de Martins, 2012 uma srie de equaes para determinao

da intensidade de radiao transmitida (turbidimetria) apresentada, essas

equaes relacionam a turbidez com a concentrao de suspenso no meio.

Considerando I0 como a intensidade de radiao do emissor de luz que

atravessa uma amostra, a intensidade transmitida I calculada para equao:

(2.1)

Sendo b a distncia percorrida pelo feixe pelo meio analisado e a

turbidez, que se relaciona linearmente concentrao C de partculas no meio,

como pode ser visto na equao:

(2.2)

Alm dessas relaes, o mesmo trabalho descreve a relao entre a

medida da radiao de partculas suspensas devido incidncia de feixe de luz

em determinada angulao (nefelometria) e a concentrao de partculas:

(2.3)


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A constante K est ligada ao instrumento usado para a medida, assim

como s condies experimentais usadas para seu clculo. As equaes

apresentadas levam em considerao um ambiente de teste com caractersticas

definidas e parmetros pr-definidos, por exemplo, a concentrao do lquido,

que deve ser calibrada com uso de amostra padro, no usada nesse projeto.

2.2. Transmisso de sinais

Quando existe o interesse na transmisso de informaes, por meio de

sinais, atravs de algum canal que separa um transmissor do receptor

necessrio que o sinal passe por dois processos diferentes, o primeiro

chamado de modulao no qual o sinal, contido em uma onda portadora, sofre

um deslocamento de frequncia para uma faixa que possibilite a transmisso

pelo emissor ou transmissor, e o outro a demodulao, que restaura o sinal

original pelo processo inverso no receptor.

2.2.1. Modulao por Amplitude de pulso

Nesse tipo de modulao, o sinal portador consiste de um trem de pulsos

retangulares peridicos, onde as amplitudes dos pulsos retangulares variam de

acordo com os valores das amostras do sinal que contem a informao

desejada (HSU, 2003). Essa modulao fornece outro formato da onda em

forma de pulsos que contem a informao presente na onda com as

informaes desejadas. Para a implementao desse tipo de modulao, a

frequncia dos pulsos deve seguir o teorema de Nyquist, ou seja, a frequncia

dos pulsos deve ser maior ou igual a duas vezes a maior frequncia da onda

com as informaes desejadas. Um exemplo de modulao por amplitude depulso pode ser observado na Fig. 2.2


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Figura 2.2 Modulao por amplitude de pulso

2.3. Turbidmetro

2.3.1. Elementos bsicos

Como demonstrado na Figura 2.1, existem dois elementos bsicos na

composio de um Turbidmetro, alm da amostra a ser analisada, esses

elementos, entretanto, precisam ser escolhidas de forma a proporcionar o

melhor resultado de leitura e anlise. Os elementos sero descritos abaixo.

(a) Fonte de luz

Para a aplicao descrita existem dois tipos de fonte de luz: as

policromticas e as monocromticas. As primeiras contem diferentes

comprimentos de ondas, o que pode causar interferncia nas medidas de

turbidez, j que a amostra em questo pode absorver alguns comprimentos de


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onda especficos e reduzir a intensidade de luz dispersa. J as luzes

monocromticas podem ser selecionadas de forma a no ter nenhuma parte de

sua intensidade absorvida, visto que os comprimentos de onda contidos em seu

espectro so bem especficos.

(b) Fotodetector

Uma forma de converter a luz proveniente da interao entre a luz

emitida pela fonte e a matria contida na amostra o uso de fotodetectores,

que transformam a luz recebida em um sinal eltrico.Os tipos de fotodetectores

encontrados so: tubos fotomultiplicadores, fotodiodos de vcuo, fotodiodos de

silcio, fototransistores e fotoresistores de sulfeto de cdmio (Martins, 2012). A

sensibilidade de cada um desses fotodetectores varia, e deve ser levado em

considerao quando no projetos de um turbidmetro.

2.3.2. Modelo alvo

O turbidmetro alvo desse estudo utiliza um modelo de quatro feixes

modulados, apresentado na figura 2.3.

Figura 2.3 Modelo de quarto feixes modulado (Larsson 2003)

Esse modelo faz uso de duas medies para obter um resultado livre de

erros. Duas medies acorrem a cada 0.5 segundos, em uma primeira fase, o


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emissor 1 emite um feixe de luz pulsada diretamente at o detector 1, que

mede a luz transmitida, o detector 2, por sua vez, mede a luz dispersada a 90

simultaneamente. Na segunda fase, o emissor 2 emite o feixe de luz pulsada, o

detector 1 mede a luz dispersada a 90 e o emissor 2 mede a luz transmitida. O

algoritmo usa os dados obtidos nas medidas de forma a eliminar os erros nasmedies o que torna o modelo consideravelmente preciso em faixas pequenas

de NTU (Nephelometric Turbidity Units).

Para a implementao desse modelo, so necessrio duas fontes de luz e

dois detectores, a proposta usar dois LEDs como fontes e dois fotodiodos

como detectores. Entretanto, para fins de validao do projeto, levando-se em

considerao o pouco tempo para projeto e prototipagem, o algoritmo do

modelo no ser seguido na ntegra, apenas a leitura do sinal ser feito, o que

por si s valida o circuito a projetado durante esse trabalho.

2.4. Acionamento pulsado de LEDs

Para a modulao por amplitude de pulso, necessrio que um sinal

portador seja gerado como mostrado na seo 2.2. Para a aplicao, o sinal

portador ser um trem de pulsos na forma do acionamento pulsado de um LED.

Para eliminar o offset entre o aparelho e a luz ambiente, um LED

pulsado e a luz medida nos receptores quando e LED est ligado e quando est

desligado. Para esse acionamento podemos usar o PIC 18F4550 em conjunto

com o circuito de dreno de corrente responsvel por alimentar o LED com a

corrente necessrio para a emisso necessrio ao projeto.

2.5. Fotodiodos

Como forma de contornar o problema impreciso do sistema em regies

de baixa turbidez, Garca et al. (2007) sugere o uso de fotodiodos como

fotodetectores ao invs de fototransistores, mais especificamente fotodiodos do

tipo AEPX65 com um pico de recepo em torno de 820nm e uma banda


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espectral mdia de 400nm, visto o comprimento de onda emitido pelo LED

sugerido por Martins (2012) tem aderncia com a recepo do fotodiodo.

Fotodiodos so dispositivos optoeletrnicos que geram eletricidade

quando na presena de luz emitidas em comprimentos de onda entre 300nm e

1100nm, seu comportamento linear e reflete, na corrente, o observvel na

radiao incidente, apesar de seu comportamento de sada ser afetado por

caractersticas externas, como temperatura, na aplicao em questo, esses

tipos de distrbio podem ser desconsiderados.

2.5.1. Condicionamento do Sinal

Na aplicao proposta, usaremos um circuito amplificador, com a inteno

de condicionar o sinal para a converso analgico-digital feita pelo PIC, visto

que o ganho de corrente decorrente da variao de luminosidade incidente

muito pequeno em fotodiodos.

O sinal emitido pelo LED ser modulado pelo lquido analisado e capturado

pelo fotodiodo, o fotodiodo far e converso do sinal luminoso em sinal eltrico

que ser amplificado pelo circuito amplificador, entretanto, o sinal adquirido

precisa ser demodulado para que o sinal original (a turbidez do lquido) seja

obtido. Para isso usa-se um filtro passa-baixa projetado para um sinal de

frequncia muito baixa, a funo de transferncia mostrada na equao 2.4

(Martins, 2012).

() ()

(2.4)

A partir do sinal demodulado passamos a ter a informao necessria

para definio de turbidez, que s pode ser feita a partir de uma curva que

relaciona o sinal obtido pelo fotodiodo e uma escala de turbidez, essas curvas

podem ser observadas nos trabalhos de Garca et al. (2007) e podem ser

usadas, na continuao desse trabalho para futuro desenvolvimento de

equipamento em escala comercial.


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3.Circuitos Propostos

3.1. Acionamento do LED

Existe a necessidade de fazer com que os led sejam pulsados, para que o

sinal portador seja um trem de pulsos, para essa aplicao o circuito

apresentado na figura 3.1 ser usado juntamente com o PIC 18F4550, que

controlar a frequncia dos pulsos.

O circuito apresentado na figura 3.1 apresenta o circuito para o

acionamento do LED, como a proposta usar um LED com alta emisso,

usaremos o componente TSAL6400, que emite a 940nm e, se alimentado com

uma corrente de 1 A, emite numa intensidade de 310 mW/sr. Para o dreno decorrente de 1 A, necessrio o uso do transistor BC868 que consegue conduzir

tal corrente. Para o circuito, o componente crtico para definio da corrente no

LED o resistor R4, para essa definio, alguns testes foram realizados em

simulador virtual, os resultados so apresentados na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 - Valores de corrente no LED1 para cada valor de R4 considerando

alimentao de 3.3V.

Resistncia de R4 Corrente no LED1

1 818.77 mA

0.5 1.62 A

0.7 1.16 A

0.8 1.01 A


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Figura 3.1 - Circuito de potencia para o acionamento dos LEDs (Martins, 2012).

Dessa forma, para que a corrente desejada, existe a necessidade de um

resistor, ou associao e resistores, de 0.8 , parmetro esse, usado no

circuito.

Testes prticos com o circuito montado em protoboard e com

alimentao e 3.3V mostraram que a corrente que passa pelo fotodiodo de

aproximadamente 1A . Durante o processo de concepo do circuito, a

alimentao usada no circuito mudou, o que levou a mudana, tambm, do

valor de R4.

3.2.

Circuito AmplificadorA demodulao de sinais de sensores interferomtricos precedida por

uma etapa de deteco e condicionamento da fotocorrente de sada do sensor

(A. R. Z. Nascimento, 1999). Nesse contexto, o ganho de corrente obtido pelo

fotodiodo proposto para o projeto muito baixo, e para que possamos fazer a

anlise dos sinais obtidos pelo componente necessrio que um circuito


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amplificador seja usado (Analog Devices, High Impedance Sensors), o circuito

apresentado na Figura 3.2 amplamente usado para esse fim, pois amplifica o

sinal com um bom ganho e elimina o problema da corrente de escuro do

fotodiodo.

Figura 3.2 - Amplificador de transimpedncia para a monitorao da fotocorrente

Podemos usar um fotodiodo BPV10NF, compatvel com emissores que

emitem de 870nm a 950nm. Como amplificador operacional sugere-se o uso de

um AD711JNZ. Alm disso, a montagem sugerida composta por RR=100k e

CR=1,8pF, para um ganho de transimpedncia de 105. (A. R. Z. Nascimento,

1999).

Os critrios para a escolha dos fotodiodos foram a gama do comprimento

de onda detectado, o comprimento de onda de mxima sensibilidade, o tempo

de subida e o tempo de descida, e o ngulo de meia sensibilidade.

Com essas informaes o modelo do fotodiodo escolhido foi o BPV10NF do

fabricante Vishay. As caractersticas desse componente, obtidas no datasheet

so mostradas na Tabela 3.2.


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Tabela 3.2 - Parmetros do BPV10NF

ParmetroCondies de

testeSmbolo Valor

Comprimento de Onda 0,5 790 a 1050 nmComprimento de Onda

para mximasensibilidade p 940 nm

Noise Equivalent powerVR= 20V

= 950 mmNEP 3x10-14 W

DetectividadeVR= 20V

= 950 mmD 3x10124 cm

Tempo de subidaVR= 50VRL= 50

= 820 mmtr 2,5 ns

Tempo de descida VR= 50VRL= 50

= 820 mmtf 2,5 ns

Meio ngulo desensibilidade

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Alm dessas caractersticas, outras pontos importantes desses fotodiodos

so o fato de possurem uma rea sensvel a radiao de 0,78 (mm2) e

possurem ainda um filtro para bloquear a radiao fora da largura de banda

dos 870 nm at aos 950 nm no empacotamento.


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4.Projeto de circuito completo

4.1. Componentes

Como proposto anteriormente no captulo 3, usaremos alguns

componentes sugeridos na bibliografia, j que estes possuem as caractersticas

necessrias para as aplicaes do projeto. A seguir, os componentes sero

expostos com suas funes e caractersticas determinantes para sua escolha.

importante notar que houve mudana em alguns componentes

anteriormente sugeridos j que, para os testes, no eram necessrios

componentes compatveis com montagem em placa de circuito impresso. Nessa

etapa, onde h necessidade de sinal com menos rudo se faz necessria umamontagem que elimina esses erros no sinal.

Entretanto, importante salientar que os componentes mais indicados

para essa finalidade (do tipo smd) so de difcil montagem e exigem

equipamento prprio para essa montagem. Como essa estrutura no

encontrada com facilidade no meio universitrio, alguns componentes usados

na montagem foram mantidos em verses maiores e que no exigiamequipamentos especiais para sua soldagem.

Alguns componentes crticos ao projeto so apresentados na tabela 4.1,

assim como algumas informaes relevantes sobre cada um deles.

Tabela 4.1 - Componentes.

Componente Modelo QuantidadePreo unitrio

[U$]

Preo total

[U$]

Transistor BC868 4 0,51 2,04

Emissor TSAL6400 2 0,55 1,10

Fotodiodo BPV10NF 2 0,99 1,98

AmplificadorOperacional

AD711JRZ 2 3,00 6,00

Controlador PIC18F4550

1 5,36 5,36


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Alm dos componentes exibidos na tabela 4.1 ainda temos de considerar

os componentes acessrios, que compreendem os capacitores e resistores.

Esses componentes so mostrados nos prximos tpicos, que especificam os

circuitos a serem usados no projeto.

Como dito anteriormente, o componentes responsvel pela integrao de

todas as funes do projeto ser o microcontrolador PIC 18F4550, portanto,

importante que esse componente seja descrito com mais detalhes.

4.1.1. PIC 18F4550

O PIC18F4550 um microcontrolador de 8 bits com arquitetura Havard e

conjunto de instrues tipo RISC, possui uma memria interna de 32 Kbytes

para armazenamento do programa residente e 2048 bytes de memria RAM.

Sua tenso de alimentao varia de 4 a 5,5 V e sua frequncia de operao

de at 48MHz, a esta frequncia o PIC capaz de executar at 12 milhes de

instrues por segundo (Miyadaira, 2009).

O microcontrolador possui 40 pinos dos quais 35 podem ser configuradoscomo portas I/O, 13 conversores A/D com 10 bits de resoluo cada e tempo de

amostragem programvel, dois comparadores analgicos, uma comunicao

EUSART, um timer de 8 bits e trs timers de 16 bits cada, um mdulo de

deteco de tenso alta/baixa (HLVD) e um mdulo USB 2.0 com a capacidade

de operar nos modos low-speed (1,5Mbps) ou full-speed (12Mbps) (Miyadaira,

2009). A pinagem do componente pode ser observada na figura 4.1.


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Figura 4.1 Pinos PIC 18F4550

A descrio de cada pino do microcontrolador pode ser encontrada no

datasheet do fabricante (Microchip Technology Inc.). possvel perceber que

devido a grande versatilidade do microcontrolador existem vrios pinos que

desempenham mais de uma funo e portanto, precisam ser programados deacordo com a funo desejada.

Para que os microcontroladores executem as tarefas desejadas

necessrio que ele seja programado. Existem diversas linguagens de

programao as mais comuns em microcontroladores so o assembly, basic e

C.

A linguagem C tornou-se rapidamente uma linguagem popular entre osprogramadores. O C foi usado para desenvolver o sistema operacional UNIX, e

ainda hoje est sendo usada para desenvolver novas linguagens. Para que o

programa fonte seja interpretado pelo microcontrolador necessrio que ele

seja convertido para cdigo de mquina e posteriormente gravado em sua

memria interna, o MPLAB uma plataforma de desenvolvimento fornecida

gratuitamente pela Microchip (www.microchip.com) que tem como funo gerar


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os cdigos que podero ser gravados no microcontrolador PIC. Para a

programao do PIC a ser usado no projeto, o MPLAB ser usado como

plataforma de programao.

Os pinos mais importantes para a aplicao desejada sero descritos

abaixo, entretanto, sua configurao completa ser mostrada posteriormente.

(Microchip Technology Inc.).

a) Pino 1 - MCLR/VPP/RE3

Pino responsvel pelo reset ou Master Clear input. Esse pino ativo em

baixa, ou seja, quando recebe um sinal baixo, reseta o pic. Nas

aplicaes mais comuns, um boto ligado a essa porta, dessa forma,

quando o boto acionado, o pic resetado.

b)Pinos 2 e 3 - RA0/AN0 e RA1/AN1

So pinos de entradas analgicas ou entradas e sadas digitais. No

projeto proposto, como teremos que adquirir 2 sinais analgicos

produzidos pelo fotodiodo, usaremos essas duas portas como entradas

analgicas. Sua configurao definida pela configurao de PORTA.Essa porta faz a converso de analgico para digital, e por se tratar de

um microprocessador de 8 bits, os valores convertidos podem variar de

0 a 255.

c) Pinos 11 e 32 VDD

Alimentao positiva do PIC. No projeto, faremos a alimentao com

+5V.

d)Pinos 12 e 31 VSS

Pino de referncia para o PIC. No projeto, ligaremos esses pinos ao GND.

e) Pinos 13 e 14 OSC1/CLK e OSC2/CLKO/RA6


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O OSC1 a entrada do sinal do cristal oscilador, j o OSC2 a sada do

sinal do cristal oscilador, essas duas portas sero ligadas a um cristal

oscilador para gerao de clock para comunicao USB, que dependem

desse clock para fazerem a comunicao. No nosso caso usaremos um

cristal de 20MHz.

f) Pinos 16 e 17 RC1 e RC2

So Entradas/Sadas digitais, que devem ser programadas pelo PORTC.

No projeto, sero usadas como sadas que controlaro a ligao dos

emissores.

g)Pino 18 VUSB

Regulador da tenso de sada da ligao USB (3.3V).

h)Pinos 23 e 24 D- e D+

So os pinos usados para a comunicao USB.

4.2. Circuitos

4.2.1. Circuito de acionamento do LED

Para o circuito de acionamento do LED usamos um circuito de dreno de

corrente, que possibilite uma corrente de 1 A no LED. Usaremos uma fonte de

5V, o que por simulao nos leva configurao mostrada na figura 4.2.

interessante notar que os valores obtidos levam em considerao o circuito com

entrada vinda do PIC em baixa, ou seja, o transistor posicionado na mesma

linha do LED est conduzindo. No caso em que o sinal do PIC alto, o transistor

na linha do LED no conduz, e o componente fica apagado.


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Figura 4.2 - Circuito acionador do LEDAlm do uso de resistores, se faz necessria a seleo dos transistores a

serem usados na montagem e do emissor propriamente dito. Os componentes

selecionados so apresentados na Tabela 4.2. Nessas tabelas so apresentadas

algumas caractersticas importantes dos componentes.

Tabela 4.2 - Componentes para acionamento do LED.

Componente Modelo Caracterstica

Transistor BC868Transistor para altas correntes e comgrande capacidade de dissipao. Consegueconduzir at 2A.

Emissor TSAL6400

Diodo emissor infravermelho que trabalhacom comprimento de onda de 940nm. Almdisso, com uma corrente de 1A, essecomponente emite com intensidade de310mW/sr.

Sinaldo


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Como podemos notar pelas caractersticas dos componentes, necessrio

que uma corrente de 1A alimente o emissor para que obtenhamos mxima

emisso, o que importante por estarmos lidando com um fotodiodo receptor.

A escolha de um resisto de 1,2 torna passvel uma corrente de 1A,

considerando uma alimentao de 5V, entretanto, para que o transistor noseja danificado, ele precisa ser apto a conduzir corrente dessa magnitude,

portanto o uso do transistor proposto resolve esse problema j que esse

componente aguenta correntes de pico de at 2A.

4.2.2. Circuito para leitura do fotodiodo

Como ponto crtico do projeto, o circuito para condicionamento do sinal

recebido pelo fotodiodo precisa, necessariamente, evitar qualquer tipo de rudo,visto que esse sinal ser lido e interpretado na forma de turbidez da amostra. O

circuito projetado apresentado na figura 4.3.

O componente mais importante para a funcionalidade do circuito o

amplificador operacional. Dessa forma, o modelo escolhido foi o AD711. Esse

modelo apresenta boa velocidade e alta preciso, oferecendo alta desempenho

a um preo razovel. O desempenho em relao a rudo excelente (mximorudo de tenso 4V) e a entrada necessria ao componente mnima (2mV).

Figura 4.3 Circuito para leitura do fotodiodo


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4.2.3. Circuito para controle do dispositivo

A integrao dos dois circuitos feita atravs do projeto do circuito de

controle. Para esse projeto alguns pontos tem que ser levados em

considerao, sendo o principal deles o fato de existir a necessidade de

eliminarmos ao mximo os rudos.

Para tanto, necessrio que a alimentao do PIC e dos Amplificadores

Operacionais passe, antes de chegar a esses componentes, por um filtro passa-

baixa comumente usado para aplicaes eletrnicas. Esse arranjo de

componentes e mostrado na figura 4.4.

Figura 4.4 Filtro para eliminar rudos na alimentao dos componentes

O circuito acionador de LED depende de um sinal do PIC para que

funcione em condies plenas e, como visto anteriormente, esse sinal deve ser

peridico, com 1 pulso a cada segundo em cada LED, sendo que os pulsos de

um LED so separados dos pulsos do outro LED por 0,5 segundos. As portas

selecionadas para essa aplicao foram as dos pinos 16 e 17 (RC1 e RC2) que

sero configurados como sadas digitais.

O circuito de leitura deve estar ligado a uma porta com conversoranalgico-digital, portanto foram escolhidas a portas 2 e 3 (RA0 e RA1) que

devem ser configuradas como entradas e cada fotodiodo usar um canal para

sua converso. Os sinais obtidos nessas portas so convertidos de analgico

(leitura da intensidade da luz) para digital.


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Como citado anteriormente, na sesso 1.3.2, a leitura dever ser feita

pelos fotodiodos a cada 0,5 segundos, ou seja a uma frequncia de 2 Hz. Para

digitalizarmos um sinal analgico, como primeira etapa, necessria a filtragem

anti-aliasing, feita no prprio circuito, que se baseia no teorema de Nyquist.

O Teorema de Nyquist ou teorema da amostragem define que a

quantidade mnima de amostras que deve ser obtida de um sinal analgico a

ser digitalizado deve ser duas vezes a maior frequncia deste sinal, esse

teorema, se aplicado, possibilita a recuperao do sinal digitalizado, j que a

reconstruo do sinal analgico apresentar poucos erros.

Antes do processo de amostragem um filtro passa baixa usado para

atenuar as componentes de alta frequncia do sinal que no so essenciais paraa informao contida nele, dessa forma o sinal amostrado a uma taxa

ligeriramente mais elevada do que a taxa de Nyquist. Evitando o problema de

aliasing que pode ser observado na figura 4.5. (Roger)

Na figura, a frequncia de amostragem (fam) apresentada em 3

situaes diferentes, sendo que a nica situao onde no h perda no sinal a

na qual a fam maior que duas vezes a frequencia do sinal original. No casoem que a amostragem ocorre em frequncia menor que o dobro da frequencia

do sinal, o sinal reconstruido posteriormente apresenta periodo diferente do

original, o que impossibilita a real anlise do sinal analgico.


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Figura 4.5 Sinal senoidal sendo amostrado a frequncias prximas a duas vezes a frequncia do

sinal.

No caso do projeto do turbidmetro, a frequncia de amostragem 2Hz,portanto a frequncia de corte do filtro a ser includo na sada do circuito

amplificador da leitura do fotodiodo deve ser maior que 4 Hz. Usando a frmula

3.1 abaixo, onde a frequncia de corte, possvel definir os valores de R e

C usados no circuito da figura 4.6 (filtro passa baixa).

(4.1)


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Figura 4.6 - Filtro anti-aliasing

Com uma resistncia de 25 k e um capacitor de 1,5uF obtemos um filtro

com frequncia de corte igual a 4,25 Hz, o que satisfaz o teorema da

amostragem e, portanto, elimina o problema de aliasing na converso

analgico-digital.

O resultado da integrao dos circuitos apresentados anteriormente pode

ser visto na figura 4.6. Note que a alimentao do PIC precedida pelo filtro

citado anteriormente, o que deve ser feito tambm na alimentao dos

amplificadores operacionais evitando os rudos causados pelos outros

componentes que partilham da fonte. Alm disso, o filtro anti-aliasing projetado

anteriormente includo na sada dos amplificadores operacionais usados naamplificao do sinal lido pelo fotodiodo.

O esquemtico apresentado na figura 4.7 mostra apenas os circuitos

responsveis pelas funes principais do projeto, entretanto ainda necessrio

que circuitos acessrios sejam includos para garantir o funcionamento.

Os circuitos de alimentao 5V, reset do pic e comunicao USB sero

apresentados posteriormente e integrados ao projeto final.


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Figura 4.7 - Circuito de controle do sistema


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4.2.4. Circuito de reset do PIC

Esse circuito simples tem como funo resetar o pic, assim quando

desejarmos alguma leitura do equipamento, basta apertar esse boto para

obtermos uma resposta. O esquemtico apresentado na figura 4.8.

Figura 4.8 - Circuito para reset

4.2.5. Circuito de alimentao

Como pode ser notado no circuito de controle, a alimentao usada para o

acionamento dos LEDs e bom funcionamento do circuito como um todo foi

definida como 5V, e os componentes do circuito foram escolhidos levando-seem considerao essa definio. Entretanto, muitas vezes, as fontes de

alimentao apresentam rudos e carregam erros que podem refletir em

resultados contaminados nos sinais do circuito. Para evitar esse problema, um

circuito de alimentao foi projetado para fornecer ao circuito os 5V necessrio,

como o mnimo de rudos e erros possveis.


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Nesse circuito usado o regulador de tenso L7805, seu funcionamento

consiste em pegar um sinal de entrada, que pode variar de 6V at 34V, e

manter o sinal de sada fixo em aproximadamente 5V. So usados alguns

capacitores, na entrada e na sada para minimizar ainda mais os rudos. O

circuito pode ser observado na figura 4.9.

Figura 4.9 - Circuito para alimentao de 5V constantes

4.2.6. Comunicao USB com Computador

Para que os dados possam ser analisados, necessrio que o circuito se

comunique com um computador, para tanto, o PIC18f4550 conta com dois

pinos (D- e D+) responsveis pela comunicao USB, alm desses dois pinos,


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outros pinos so usados para o projeto dessa aplicao. Um circuito geral para

comunicao PIC-PC viu USB mostrado na figura 4.10. Esse mesmo circuito

ser incorporado ao projeto esquemtico final que apresentado da figura

4.11.

Como pode ser notado na figura 4.10, existe a necessidade de incluso de

um cristal, que nesse caso ser de 20Mhz, alm disso, nesse esquemtico, no

so consideramos os capacitores que devem ser acoplados ao cristal que, para

essa frequncia, devem ser de 15pF entre VDD e Ground.

Figura 4.10 - Circuito para comunicao USB geral (Pictronics.com, Acessado em

02/10/2013)


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Figura 4.11 - Esquemtico final


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4.3. Testes

Para validar parte do projeto, o circuito de acionamento do emissor foi

montado em uma protoboard e testado de forma experimental. O emissor foi

acionado com 1 A para mxima emisso e o fotodiodo teve sua sada medida

para verificar se a leitura estava sendo feita. Nessa etapa no foi feita

converso analgico digital pois no existia necessidade de interpretao da

leitura, apenas de verificao se esta estava sendo feita.

Para fins de teste, em uma sala escura, o emissor foi posicionado a

diferentes distncias do fotodiodo, sem nenhum obstculo, para cada distncia,

a sada do fotodiodo foi medida.

Os fotodiodos precisam de algum circuito de aquisio, caso contrrio,

no servem aos seus objetivos, j que os valores de corrente gerados so muito

baixos. Para o projeto esse problema foi resolvido com um circuito amplificador,

entretanto, para esse teste em protoboard, outro circuito foi usado, apenas

para verificar o comportamento do fotodiodo, o circuito sugerido pelo prprio

datasheet do componente e mostrado na figura 4.12.

Figura 4.12 - Circutio de teste para fotodiodo


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Abaixo, na tabela 4.3, so exibidas as leituras do voltmetro para

diferentes distncias do emissor. E um grfico desse comportamento na Figura

4.13.

Tabela 4.3 - Tenses de sada do fotodiodo

Distncia Tenso

1 cm 4,7V

2 cm 3,8V

3 cm 3,1V

4 cm 2,4V

5 cm 1,2V

6 cm 0,7V

7 cm 0,7V

8 cm 0,3V

9 cm 0,2V

Figura 4.13 - Comportamento da tenso em relao distancia do emissor


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Podemos notar que, caso o teste fosse feito em ambiente iluminada, o

fotodiodo saturaria rapidamente, j que a intensidade luminosa do emissor

somada a luminosidade ambiente levaria o fotodiodo a tenso mxima de

resposta, rapidamente.


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5.Projeto

5.1. Projeto de circuito impresso

O projeto do circuito impresso extremamente importante, pois ele

essencial para o bom resultado do projeto. Para esse projeto, ser utilizado o

mesmo software usado para o projeto dos circuitos esquemticos apresentados

anteriormente, o EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE. A seguir, sero mostrados os

passos para o desenvolvimento do circuito impresso. Partimos do esquemtico

apresentado na figura 5.10, o qual o software transporta para o ambiente de

desenvolvimento de layout de circuitos impressos. Nesse ambiente, torna-se

necessrio que os componentes sejam organizados espacialmente e as ligaes

entre os mesmos seja feita de forma a no prejudicar os resultados esperados.

5.1.1. Layout

Como foi dito anteriormente o software usado para o projeto faz,

automaticamente, o transporte dos componentes do ambiente esquemtico,

mostrado na figura 4.10 para o ambiente de projeto de placa impressa. Essa

mudana de ambientes leva, do ambiente anterior, apenas os componentes(nas dimenses corretas) e a ligao virtual entre eles, ou seja, os pinos dos

componentes que recebero o mesmo sinal estaro ligados por uma linha,

entretanto essa ligao no representa nada fsico, apenas uma relao de

sinais. As ligaes fsicas, ou trilhas, devem ser projetadas manualmente, assim

como a disposio dos componentes na placa.

Nesse sentido, interessante lembrar que as trilhas dos circuitos podem

ser projetadas nas duas camadas de cobre, a superior (onde os componentes

estaro) ou a inferior. A ligao entre as trilhas na camada superior e inferior

feita atravs de furos na placa. A vantagem do projeto nas duas camadas est

no fato de que as trilhas que, se estivessem na mesma camada se cruzariam,

no se cruzam quando em camadas diferentes, porque esto separadas por um

material isolante.


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Outro fator importante a definio da espessura da trilha, esse quesito

impacta diretamente no processo de confeco da placa impressa, como o

processo usado nesse projeto ser manual, importante que a espessura das

trilhas seja um pouco maior, no nosso caso, as trilhas foram projetadas com

0.81 mm. (Mecatrnica Fcil, 2005)

Como a verso do programa EAGLE PCB DESIGN SOFTWARE fornecida

para estudantes no a verso completa, existe um limite no tamanho da placa

que foi respeitado no projeto em questo. As figuras 5.1 e 5.2 mostram o

layout do circuito, a primeira representa a camada superior, e a segunda, a

camada inferior.

Figura 5.1 - Topografia da camada superior


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Figura 5.2 - Topografia da camada inferior

Figura 5.3 - Topografia completa


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5.1.2. Mtodo para confeco

Por se tratar de um prottipo de equipamento, definiu-se que o circuito

ser feito manualmente, pela falta de equipamento de impresso de circuitos e

pelo elevado custo da contratao de empresas para fazerem esse servio.

importante notar que, esse custo, em um processo escalonado e de grande

volume de produo acaba sendo diludo, o que no ocorre em produo

unitria, como o caso desse projeto.

Para o projeto usamos placas de fenolite, recobertas por filmes de cobre,

essas placas so a base para o circuito, trata-se, basicamente, de placas de

fenolite (existem ainda placas de fibra de vidro ou outro polmero), com as duas

faces cobertas por uma fina camada de cobre, um esquemtico mostrado nafigura 5.4. O substrato de fenolite existe para isolar as duas faces do cobre,

impedindo que haja interferncia entre os sinais transmitidos em cada uma

delas.

Figura 5.4 - Esquemtico de placa de cobre genrica

Esse material ser usado para a confeco do produto, atravs de um

processo de corroso do cobre, nas reas onde ele no necessrio,

responsvel pela formao das trilhas de comunicao entre os componentes do

circuito. Como primeira etapa, necessrio transportar, para a placa, o


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desenho do circuito a ser impresso na placa, essa transferncia feita atravs

de um processo trmico de transferncia de tonner.

O circuito impresso em papel do tipo transparncia (usado em

retroprojetores), essa impresso deve ser feita em impressoras a laser. Aps

essa impresso, o papel deve ser colocado sobre a placa e aquecido. Esse

processo permite que o tonner sofra o processo de fundio o que permite ao

tonner aderir ao cobre formando uma mscara do que, futuramente, ser o

circuito impresso. A placa com essas mscaras so mostradas nas figuras 5.5 e

5.6.

Essa placa imersa em percloreto de ferro, responsvel pela corroso do

cobre apenas nas regies no protegidas pela mscara, o processo duraaproximadamente 15 min e culmina em uma placa de fenolite com as trilhas do

circuito em cobre que so recobertas por estanho para facilitar a montagem dos

componentes.

A etapa final da preparao da placa envolve a furao, responsvel pela

comunicao entre as duas faces da placa e pela montagem de componentes

que necessitam de furos para serem montados. Aps a furao, a placa estpronta para montagem dos componentes. A placa completa mostrada na

figura 5.7. Antes da utilizao da placa, as ligaes foram conferidas para

garantir que todas as comunicaes de sinais estivessem ocorrendo

corretamente, inclusive as comunicaes entre as faces, que exigem a aplicao

de estanho nos furos.

Como pode ser notado na figura 5.7, os emissores e receptores do

sistema no esto montados na placa, pois devero ser montados em outra

estrutura e ligados placa por fios.


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Figura 5.5 - Placa com mscara de tonner - Camada superior

Figura 5.6 - Placa com mscara de tonner - Camada inferior


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Figura 5.7 - Circuito montado com componentes

5.2. Projeto da cmara escura

Como forma de obter o melhor resultado da leitura de luminosidade

usado para aferimento da turbidez, necessrio a leitura seja feita em

ambiente com a menor interferncia possvel do meio externo, para isso, uma

cmara escura foi idealizada essa cmara consiste basicamente de uma caixa

com 4 furos (1 em cada face lateral) e uma tampa. Os emissores e receptores

sero acoplados nesses furos, sendo que cada emissor se localizada em posio

diametralmente oposta ao respectivo receptor.


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O esquemtico da cmara mostrado na Figura 5.8. Trata-se de um

cuba de 5 cm de arestas com furos de 0,5 cm (mesmo dimetro do fotodiodo e

led IR). A amostra ser inserida na cmara em um vasilhame de plstico

transparente com 2 cm de dimetro e 4 cm de altura.

Figura 5.8 - Esquemtico da cmara escura

importante salientar que as paredes internas da cmara sero

recobertas por papel fosco preto, o que diminui a influncia do ambiente nos

resultados das leituras. A amostra a ser analisada estar contida um pequeno

vidro transparente localizado centro exato da face inferior do cubo e pequena

distncia dos emissores e receptores.

A figura 5.9 mostra a cmara pronta j com os fotodiodos e LEDs IR

acoplados e ligados ao circuito do projeto.


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Figura 5.9 - Cmara escura pronta


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5.3. Programao

Como j foi descrito anteriormente, a maioria dos pinos do PIC 18F4550

apresenta mais de uma funo e, portanto, precisam ser configurados para que

cumpram a funo determinada pelo projeto. Para tanto ser exibido a seguir a

definio das funes dos registradores relativos aos pinos usados no projeto.

5.3.1. Configurao

necessrio definir, logo no incio do programa quais bibliotecas sero

usados no programa a ser carregado no PIC, como sero usadas poucas

funes do PIC, apenas poucas bibliotecas sero usadas. As bibliotecas usadas

para a inicializao so:

#include

#include

Para a configurao inicial do programa preciso escolher as variveis

de inicializao. Como fazemos uso do conversor analgico-digital, preciso

definir que as portas usadas posteriormente trabalharo com esse tipo de sinal.

Para esse caso configuraremos ADCON1, que define os tipos dos sinaisrecebidos pelas portas AN0 a AN12. Para tanto, usaremos os valores obtidos

pelo datasheet e mostrados na figura 5.10.

Como faremos uso das portas AN0 e AN1 como entradas analgicas para

os fotodiodos precisamos que o ADCON1 seja configurado como 0b00001101,

como mostrado na figura 5.10.


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Figura 5.10 - Configurao do ADCON1

a) PORTA

Para a configurao desses registradores, preciso configurar o TRISA,

que define as funes de PORTA, essa configurao deve ser feita de acordo

com a tabela mostrada na figura 5.11.

Para definirmos que as portas RA0 e RA1 trabalharo como entradas

analgicas, ou seja AN0 e AN1, precisamos definir que TRISA0 e TRISA1 como

1. Nessa mesma porta, ainda precisamos configurar o RA6 que ser usado para

configurao da leitura USB. Nesse caso usaremos o TRISA6 que ser

configurado como OSC2, recebendo o valor 0. Temos, portanto o seguinte valor

para TRISA: 0b00000011.


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Figura 5.11 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA

b)PORTC

Assim como na configurao do PORTA, precisamos configurar o PORTC

atravs das definies de TRISC com as funes desejadas para cada um dosbits de PORTA, para esse registrador usaremos os bits RC1 e RC2 como sadas

digitais e, RC4 e RC5 para a comunicaes USB. A tabela para essa porta

mostrada na figura 5.12.

Como pode ser notado na figura, a configurao para TRISC

0b00000000, pois estamos tratando de sadas digitais.

Figura 5.12 - Disposio dos Bits de PORTA e TRISA

Dessa forma, para a configurao inicial do PIC, temos a seguinte

configurao:

ADCON1 = 0b00001101;

TRISA = 0b00000011;

TRISC = 0b00000000;

TRISB = 0b00000000;

TRISD = 0b00000000;


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TRISE = 0b00000000;

Alm disso necessrio zerar todos os registradores usados durante o

programa para que no ocorra nenhum tipo de erro por dados residuais. Ento

ainda na inicializao temos os seguintes definies.

PORTA = 0b00000000;

PORTB = 0b00000000;

PORTC = 0b00000110;

PORTD = 0b00000000;

PORTE = 0b00000000;

Como pode ser notado, o PORTC tem o RC1 e o RC2 inicializados em 1,j que, como dito na sesso 4.2.1, para que o LED fique apagado, precisamos

que esse sinal esteja alto.

Durante a comunicao com USB, ser usado um software IHM capaz de

configurar durante as leituras os valores das sadas digitais, portanto o que

mais importante nessa etapa de configurao so as definies das funes das

portas, visto que durante a aquisio dos sinais via USB existir a possibilidade

de configurarmos os valores das sadas, mas no a funo que ela exercer.

5.3.2. Comunicao USB com PC

Para que possamos adquirir o sinal no fotodiodo, um software para

comunicao USB com PIC18f4550 de cdigo aberto foi usado. Atravs da

comunicao, o programa capaz de se comunicao com o PIC e controlar as

portas de sadas digitais e monitorar as entradas (analgicas e digitais), bastaque o PIC esteja programado com suas configuraes iniciais. A IHM do

programa bastante atraente e se mostra como a melhor opo para os testes

a serem feitos no projeto. J que possibilita o controle tantos das sadas do PIC

quanto a monitoramento das entradas de uma maneira rpida e prtica. A

figura 5.13 mostra a IHM do programa, que programado em C++.


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O software faz todas as leituras de entradas analgicas, mesmo que os

canais no estejam ligados, no caso do presente projeto, apenas os canais 0 e

1 fazem medidas. O programa apresenta as leituras em 8bits, portanto, os dois

bits menos significativos da leitura so desconsiderados, o que, na prtica, no

prejudica muito os resultados.

Alm disso, o software considera o tempo para aquisio do sinal, j que

existe a necessidade

Figura 5.13 - IHM do programa USB 18f4550 HID


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O software utiliza a mesma montagem de hardware sugerida na seo

4.2.6, portanto no implicou na modificao do circuito de comunicao USB. E

pde ser usado com xito durante os testes.

Abaixo, para ilustrar como a aquisio e envio do dado por USB feita,

esto transcritas as funes usadas pelo software em questo. Nesse caso,

somente as leituras dos canais 0 e 1 so feitas.

SET_ADC_CHANNEL(0);

DELAY_US(10);

VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);

ENVIA[8]=VALOR_ADC;

SET_ADC_CHANNEL(1);

DELAY_US(10);

VALOR_ADC = (READ_ADC()/4);

ENVIA[9]=VALOR_ADC;

Uma nica adaptao no software precisou ser feita, como o software

usado para configurao dos pwms que esto localizados em RC1 e RC2, e as

sadas digitais configuradas pelo software so as sadas de PORTB, foi

necessrio mudar, apenas no cdigo (no na interface), que as portas a serem

usadas como sadas sero RC1 e RC2 e que os pwms no sero controlados

pela IHM.

5.4. Projeto completo

Para as medidas de recepo do fotodiodo, a estrutura mostrada na

figura 5.14 foi montada. Para que no houvesse nenhuma interferncia nocircuito, a base do circuito no foi colocada em contato com nenhuma

superfcie. O PIC foi programado com as definies iniciais do cdigo mostradas

anteriormente com um lao infinito, e o circuito foi conectado ao Computador

pelo cabo USB.


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Figura 5.14 - Estrutura completa montada


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6.Resultados

Para verificar se o circuito seria adaptvel para um turbidmetro

comercial de baixo custo foram usadas 12 amostras com concentraes

diferentes de caf. Para tanto, uma amostra padro (aqui considerada deconcentrao 100% em volume) foi diluda em gua para conseguirmos as

outras amostras. As concentraes em volume de caf usadas nas amostras so

mostradas na tabela 6.1 e um exemplo de amostra apresentado na figura 6.1.

Tabela 6.1 - Concentrao das amostras

Amostra Concentrao em Volume1 100%

2 90%3 80%4 70%5 60%6 50%7 40%8 30%9 20%

10 10%

11 5%12 2,5%13 Recipiente vazio

Figura 6.1 - Exemplos de amostras (concentraes: 100%, 70%, 30%, 0%)


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Com o fim de parametrizar os resultados, uma medida do sinal do

fotodiodo para o recipiente vazio foi feita. Os resultados, j convertidos para

nmeros decimais so apresentados na tabela 6.2. Esses valores foram

representados em um grfico mostrado na figura 6.2.

Alm disso, os valores so uma mdia de 5 medidas por sensor para as

mesmas amostras, o desvio padro para cada valor mostrado na tabela e no

grfico.

Tabela 6.2 - Mdias e desvio padro das leituras dos fotodiodos

Amostra Leitura Desvio Padro1 17 72 24 7,8

3 28 84 35 195 42 17,26 55 197 65 58 71 99 75 19

10 81 8,711 86 24,312 85 2813 111 31

Com o uso das equaes 2.1 e 2.2 apresentadas no captulo 2, o clculo

de intensidade de radiao transmitida (I) (turbidimetria) foi feito e

apresentado na tabela 6.3. e no grfico da figura 6.3.

Tabela 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico

Amostra Concentrao considerada (C) Radiao transmitida (I)1 0,6 0,3083892 0,54 0,308553 0,48 0,308714 0,42 0,3088715 0,36 0,3090326 0,3 0,3091937 0,24 0,309355


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8 0,18 0,3095169 0,12 0,30967710 0,06 0,30983911 0,03 0,30991912 0,015 0,30996

13 0 0,31

Para os clculos de I foram consideradas concentrao aproximadas,

visto que as amostras no foram preparadas usando-se kits de calibrao

usuais. Alm disso, os seguintes valores foram usados nos clculos:

Figura 6.2 - Resultados - Leitura dos Fotodiodos


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Figura 6.3 - Intensidade de radiao transmitida terico

Podemos notar pelos resultados que as leituras apresentam uma sria

instabilidade, visto que os desvios padres calculados para cada amostra so

altos para essa aplicao. A intensidade de radiao transmitida tem ocomportamento esperado terico, que acompanha o comportamento da leitura

obtida, j que quanto maior a concentrao das amostras, menor ser a luz

transmitida.

Alm disso, podemos notar que para alguns casos, a diferena entre as

leituras no apurada o suficiente para levar a concluses assertivas, dessa

forma, algumas caractersticas do projeto devem ser revistas para que o

objetivo final (fazer leituras de turbidez com alta acurcia) seja cumprido. Esses

pontos sero discutidos no captulo de concluses.

Nas amostras de pouca concentrao, podemos verificar que o desvio

padro alto, o que pode ser justificado por variveis de leitura (como reflexo

do recipiente da amostra, falhas na cmara escura, arredondamento feito pelo


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software, etc) em conjunto com rudos do circuito que, apesar de serem

evitados em sua maioria pelo projeto, ainda esto presentes neste.

Apesar da falta de acurcia, podemos notar que o circuito foi capaz de

medir a luminosidade modulada pela amostra, como visto na figura 6.1 e que o

uso de fotodiodos em conjunto com amplificadores operacionais possvel para

a aplicao sugerida. Entretanto no foi possvel confirmar a melhor

sensibilidade sugerida por Garca, 2007, visto que outras variveis podem ter

sido causadoras dos erros de medida.

O comportamento linear das leituras mostra que com os devidos ajustes,

o circuito pode representar uma tima opo como ferramenta para aferimento

de turbidez de lquidos.


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7.Concluses e perspectivas

Como pudemos notar com os resultados, o projeto apresentado

demonstrou que o circuito projetado pode ser usado para aquisio do sinal lido

por fotodiodo acoplado a circuito amplificador, entretanto, para usos comerciais,que exigem leituras muito mais acuradas, necessrio que modificaes no

projeto sejam feitas. A maioria das modificaes est ligada eliminao de

rudo e interferncias externas. Para tanto, necessria a reviso do mtodo de

manufatura do circuito, o uso de impressoras de circuito impresso seriam as

melhores opes j que o mtodo de corroso usado pode levar a

inconsistncias no resultado final.

Para projetos futuros, seria importante que o layout do circuito fosse

refeito de modo e separar o circuito em duas partes independentes com

aterraes distintas, uma parte digital, que incluiria os circuitos de emisso e

comunicao USB, e uma parte analgica contendo os circuitos de aquisio do

sinal pelo fotodiodo. Essa separao eliminaria a interferncias dos sinais entre

si, diminuindo o erro nos sinais lidos. Outro fator importante a substituio

dos componentes usados por modelos SMD, menores e menos sujeitos a rudos.

O que demandaria uma montagem tambm maquinizada devido ao tamanho

das pernas dos componentes. Os fatores externos, como o ambiente de leitura

dos fotodiodos poderia ser compensado por calibrao do software de acordo

com parmetros a serem definidos juntamente com o layout do produto final.

A introduo do projeto no mercado exige ainda, a criao de uma IHM

embarcada para leitura dos valores de turbidez, assim como aplicao do

algoritmo para o tratamento do dado lido pelo fotodiodo at chegar ao valor de

turbidez nos moldes definidos por sistemas de medida. Outro ponto importante

e que deve ser levado em considerao antes da adaptao do produto ao

mercado a busca de anterioridades, evitando a infrao de patentes de

terceiros visto que esse campo de estudo bastante explorado mundialmente.


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8.Bibliografia

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