Termometro Digital 8051

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Escola Politécnica de Pernambuco Departamento de engenharia Elétrica Projeto de Final de Curso

ESCOLA POLI ESCOLA POLIT T CN CNIC ICA A DE PERNAMBUCO

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MONOGRAFIA DE FINAL DE CURSO Avaliação Final

No dia 15 de dezembro de 2005, às 19:30 horas, reuniu-se para deliberar a defesa da monografia de conclusão de curso dos discentes Artur Rafael Maranhão de Oliveira, Cícero José dos Santos Júnior, Tiago Cavalcanti Alves orientados pelo professor Zílcio de Lavor Sales, sob o título Desenvolvimento de um termostato digital microcontrolado, a banca composta pelos professores: 1. Marcílio Feitosa 2. Luiz Otávio Maciel Maciel Cavalcanti de Albuquerque Albuquerque 3. Maria de Lourdes Lourdes Melo Melo Guedes Guedes Alcoforado Após a apresentação da monografia e discussão entre os membros da Banca, a mesma foi considerada APROVADA.

MARCÍLIO FEITOSA

LUIZ OTÁVIO MACIEL

MARIA DE LOURDES M. G. ALCOFORADO















3 Resumo da Monografia apresentada ao Departamento de Engenharia Elétrica da Escola Politécnica de Pernambuco.

DESENVOLVIMENTO DE UM TERMOSTATO DIGITAL MICROCONTROLADO MICROCONTROLADO Artur Rafael Maranhão de Oliveira Cícero José dos Santos Júnior Tiago Cavalcanti Alves Dezembro/2005 Orientador: Zílcio de Lavor Telles, Msc. Área de Concentração: Dispositivos Programáveis. Palavras-chave: Dispositivos Programáveis, Automação Predial, Microcontroladores Número de Páginas: 54.

O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento e a implementação de um protótipo de um sistema baseado no microcontrolador 8051 para obter o controle automático de um condicionador de ar, do tipo “janela”. O sistema substituirá as chaves seletoras manuais, por teclas, bem como incrementará um display de cristal líquido para visualização e programação da temperatura desejada. Foi adotada uma metodologia de implementação de projetos baseada em técnicas de particionamento, ou seja, diagrama em blocos. Os resultados esperados vão desde a facilidade de programação através de um sistema de entrada e saída moderno (teclado e display) presente em qualquer sistema digital microprocessado, precisão no valor da temperatura desejada e uma fatal economia energética reduzindo a conta de energia elétrica de um determinado estabelecimento que utilize este tipo de aparelho.















4 Summary of Monograph presented to UPE.

DEVELOPMENT OF A DIGITAL MICROCONTROLLED THERMOSTAT Artur Rafael Maranhão de Oliveira Cícero José dos Santos Júnior Tiago Cavalcanti Alves December / 2005 Supervisor(s): Zílcio de Lavor Telles, Msc. Area of Concentration: Programmable devices Keywords: Programmable Programmable devices, Land Automation, Microcontrollers Number of Pages: 54.

The objectives of this monograph are the development and implementation of an archetype of a system based on 8051 microcontroller to get an automatic control of “window” air conditioning. The system will substitute the manual selector keys for keyboard keys and develop a LCD (liquid crystal display) to visualize and program the desired temperature. It was adopted a methodology of implementation based on blocks diagram. The results waited are the programming easiness through a modern input output system (keyboard keys and LCD), precision on desired temperature and electric energy economy of a determined establishment that uses this type of device.















5

SUMÁRIO LISTAS ……………………………………………………………………...................... ……………………………………………………………………...................... vi 1. INTRODUÇÃO..........................................................................................................1 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS....................................................... TEÓRICOS................................................................................ ......................... 2 2.1. INTRODUÇÃO........................................................... INTRODUÇÃO....................................................................................................... ............................................ 2 2.2. TRANSDUTORES DE TEMPERATURA..................................................... TEMPERATURA.............................................................. ......... 2 2.2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO FUNCIONAMENTO ................................................................ ................................... ............................. 2 2.3. AMPLIFICADORES AMPLIFICADORES DE SINAIS ............................................. ........................................................................... .............................. 3 2.4. CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITAL ANALÓGICO-DIGITAL ............................................. ........................................................... .............. 5 2.5. MICROCONTROLADORES MICROCONTROLADORES 8051.......................................................................... 8051................................. ......................................... 6 2.5.1. INTRODUÇÃO AOS MICROCONTROLADORES........................................... 6 2.5.2. O 8051 NO PROJETO.......................................................................................... 6 2.6. DISPLAY DE CRISTAL LIQUIDO.......................................... LIQUIDO........................................................................ .............................. 7 2.7. CIRCUITO DE POTENCIA........................................................... POTENCIA..................................................................................... .......................... 8 2.8. CONDICIONADOR DE AR ............................................. ................................................................................... ...................................... 8 3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA......................................................................... 10 3.1. INTRODUÇÃO......................................................................................................... 10 3.2. PARTIÇÃO DO SISTEMA.......................................................................................10 3.3. DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE..............................................................12 3.3.1. DIAGRAMA EM BLOCOS ...............................................................................12 3.3.2. SELEÇÃO E PINAGEM DOS COMPONENTES .............................................13 3.3.3. DIAGRAMA ESQUEMATICO .........................................................................15 3.3.4. LAYOUT DA PCI (PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO)...............................16 3.3.5. LISTA DE COMPONENTES ........................................................................... 16 3.4. DESENVOLVIMENTO DE SOFTWARE.............................................................. 17 3.4.1. ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA.................................................................... 17 3.4.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA...................................... 20 3.4.3. DESCRIÇÃO DAS PINAGENS DOS COMPONENTES................................ 26 3.4.4. ESCRITA DO ALGORITIMO.......................................................................... 26 3.4.5. ELABORAÇÃO DO CODIGO FONTE............................................................ 27 3.4.6. COMPILAÇÃO E DEBUGG ............................................................................ 29 3.4.7. GRAVAÇÃO DO PROGRAMA NO CHIP ..................................................... 30 4. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS.............................................................................31 4.1. CONCLUSÕES.............................................................. CONCLUSÕES....................................................................................................... ......................................... 31 4.2. PERSPECTIVAS................................................................ PERSPECTIVAS................................................................................................... ................................... 31 ANEXOS............................................................................................................................ 33 ANEXO 1 – DIAGRAMA ELÉTRICO.......................................................................... 33 ANEXO 2 – FOTOS DO PROJETO............................................................................... 34 ANEXO 3 – PROGRAMA FONTE................................................................................ 36 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS........................................................................ BIBLIOGRAFICAS............................................................................... ....... 53















6

LISTAS LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 – AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL........................................................ OPERACIONAL...................................................... .. 3 FIGURA 2.2 – AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL INVERSOR E O RESPECTIVO RE SPECTIVO GANHO................................................................................................... 4 FIGURA 2.3 – AMPLIFICADOR AMPLIFICADOR OPERACIONAL NÃO INVERSOR E O RESPECTIVO GANHO.......................................................................... 4 FIGURA 3.1 – PARTICIONAMENTO DO PROJETO................................................... 10 FIGURA 3.2 – SISTEMA GENÉRICO MICROCONTROLADO UTILIZADO UTILIZADO PARA CONTROLE........................................................................................... 12 FIGURA 3.3 – DIAGRAMA EM BLOCOS DO PROJETO.............................................13 FIGURA 3.4 – DIAGRAMA EM BLOCOS COM COMPONENTES SELECIONADOS....................................................................................15 FIGURA 3.5 – DESENVOLVIMENTO DESENVOLVIMENTO DE UM PROJETO.............................................18 PROJETO..................................... ........18 FIGURA 3.6 – BLOCO SENSOR DE TEMPERATURA..................................................20 FIGURA 3.7 – BLOCO AMPLIFICADOR................................................. AMPLIFICADOR........................................................................21 .......................21 FIGURA 3.8 – BLOCO CONVERSOR ANALÓGICO DIGITAL....................................22 FIGURA 3.9 – BLOCO DE POTÊNCIA............................................................................23 FIGURA 3.10 – PROGRAMADOR MPT – 1010..............................................................30

LISTA DE TABELAS TABELA 2.1 – ENDEREÇO DAS 32 POSIÇÕES DO LCD 16 X 2 ................................. 7 TABELA 3.1 – PARTICIONAMENTO DO PROJETO ................................................... 11 TABELA 3.2 – COMPONENTES ESCOLHIDOS............................................................ 14 TABELA 3.3 – COMPONENTES UTILIZADOS............................................................. 16 TABELA 3.4 – HISTERESE.............................................................................................. 25

















7

CAPÍTULO 1

1. INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo principal mostrar o desenvolvimento e implementação de um protótipo de um sistema de controle utilizando um condicionador de ar, do tipo “janela”. Nosso foco será a substituição das chaves seletoras manuais, por teclas, bem como a colocação de um display de cristal líquido para visualização e programação da temperatura desejada. Substituiremos também o termostato por um sensor eletrônico de maior precisão. Tem como objetivo secundário cumprir os requisitos da disciplina Projeto de Final de Curso, bem como descrever os passos que utilizamos para o desenvolvimento do referido projeto. Na primeira análise, no capítulo 2, conheceremos os fundamentos teóricos dos principais componentes utilizados no desenvolvimento do projeto. Posteriormente, no capítulo 3 será mostrada a metodologia usada para o desenvolvimento e implementação, levando em consideração as etapas de “hardware” e “software” seguidas para a efetivação do mesmo. No último capítulo faremos uma conclusão do trabalho mostrando os desafios,

















8 CAPÍTULO 2

2. FUNDAMENTOS

TEÓRICOS

2.1. INTRODUÇÃO Este capítulo tem por finalidade mostrar os conceitos e os princípios de funcionamento dos componentes que utilizaremos no nosso projeto. Faremos uma análise simplificada de cada bloco do sistema em questão.

2.2. TRANSDUTORES DE TEMPERATURA Uma vez que nos propormos a substituir o termostato de um condicionador de ar tipo janela para controlar a temperatura ambiente por meio de um sistema microcontrolado, necessitaremos fazer uso de um sensor de temperatura responsável por “sentir” as variações da temperatura e “traduzir” em variações analógicas no domínio elétrico. Esses sensores utilizam-se de princípios físicos para realizar essas conversões.

2.2.1. PRINCÍPIO PRIN CÍPIO DE FUNCIONAMENTO FU NCIONAMENTO Dentre os tipos existentes de sensores de temperatura, destacaremos os princípios de funcionamento dos que proporcionam um melhor controle pelo sinal elétrico:

















9 •

Junção de semicondutor;

Dispositivos semicondutores possuem sensibilidade à temperatura. Tomando como exemplo o transistor bipolar de junção, existe uma propriedade fundamental dos transistores de silício onde diz que para uma corrente de coletor constante circulando pelo transistor, a tensão base-emissor varia unicamente em função da temperatura. [19] Para o nosso projeto escolhemos utilizar como sensor de temperatura o circuito integrado LM35 que faz uso de transistores bipolar de junção para alcançar uma tensão diretamente proporcional à temperatura. Esse dispositivo apresenta as seguintes características: •

Calibração em ºCelsius – Centrígado.

•

Faixa de temperatura medida -55ºC até +150ºC.

•

Tensão de alimentação 4 v à 30v.

•

Fator de escala na saída linear + 10mV / ºC.

•

Corrente de dreno sem carga 60µA.

•

Impedância de saída 0,1 ohm para 1mA de carregamento.

•

Encapsulamento TO-92

Este dispositivo foi escolhido pois apresenta diversas vantagens de utilização, entre elas cita mos : O custo, a facilidade de ligação (somente 3 pinos), maior confiabilidade em relação aos termopares e termistores comerciais. Detalhes de ligação ver anexo 1.

2.3. AMPLIFICADORES DE SINAIS Faremos uso do amplificador operacional, mostrado na figura 2.1, para amplificar a tensão que sairá do sensor de temperatura afim de entregá-lo amplificado para o conversor A/D. O

















10 1. Entrada diferencial: V2 – V1; 2. Elevada impedância de entrada, Z =

∞;

3. Baixa impedância de saída, Z = 0 ; 4. Elevado ganho de amplificação, A=

∞;

As duas montagens mais utilizadas como amplificadores de sinais são: o amplificador inversor na figura 2.2 e o amplificador não inversor na figura 2.3, com os seus respectivos ganhos.

G=−

V out

=−

V in

R2 R1

Figura 2.2 - Amplificador operacional inversor e o respectivo ganho.

G=

V out V in

= 1+

R2 R1

Figura 2.3 - Amplificador operacional não inversor e o respectivo ganho

Os cálculos desses ganhos podem ser encontrados em livros de eletrônica analógica. [12] No nosso trabalho, utilizamos à montagem não inversora por apresentar o sinal de saída em fase com o sinal de entrada, não precisando, portanto, de outro dispositivo para inverter novamente o sinal. Tem também a vantagem de apresentar impedância de entrada infinita, possuir baixo custo e

















11

2.4. CONVERSORES ANALÓGICO-DIGITAL ANALÓGICO-DIGITAL Existem sinais de natureza analógica e de natureza discreta. Entende-se por analógico toda variação contínua de uma variável. A medição da temperatura é uma grandeza analógica, isto é, para se atingir um valor desejado é necessário que essa grandeza medida passe por valores intermediários de forma contínua. O sensor de temperatura transformará as variações da temperatura ambiente em variações analógica no domínio elétrico. Assim, para esse sinal analógico chegar ao microcontrolador será necessário à conversão para sinais digitais, ou seja, necessitaremos de um conversor analógico-digital (A/D). O processo de conversão análogo-digital consiste em entrarmos com um sinal analógico e para cada período de amostragem devemos representar este nível de tensão com n bits. Existem vários métodos de conversão A/D que variam em complexibilidade e velocidade. Tipicamente, quanto mais veloz o processo proc esso de conversão mais complexo será o circuito que executa essa função. Dentre esses métodos de conversões, existem: conversor tipo realimentação, conversor paralelo, conversor com inclinação dupla, etc. [12] Escolhemos o conversor TLC 549 CP, por apresentar um tempo de conversão considerado para o projeto em questão, uma resolução de oito bits e consumir pouca potência. Utilizamos à transmissão serial dos bits convertidos. Só precisaremos, pois, de três pinos do microcontrolador, comparado ao conhecido ADC0808 que utiliza só para dados oito pinos, fora os de controle. Poderia ser usado este último, de forma a ficar mais rápida a transmissão dos dados, ou seja, de forma paralela, porém precisaríamos de mais pinos do microcontrolador. Embora o dispositivo tenha disponibilidade para tal situação, caso haja necessidade de expansão do projeto não teríamos portas disponíveis. Portanto, estas características e as demais descritas abaixo, fazem este dispositivo ideal para o nosso sistema.



















12

2.5. MICROCONTROLADORES 8051 2.5.1. INTRODUÇÃO INTR ODUÇÃO AOS MICROCONTROLADORES MICROCONTROLA DORES No estudo detalhado de qualquer dispositivo programável os autores sempre definem, para que não haja confusão quanto ao conceito, o que sejam microcontrolador e microprocessador. Microprocessador: Chip responsável

pelo processamento em um microcomputador. É um

elemento complexo, contendo, entre outras coisas, uma unidade de controle, uma unidade lógica e aritmética (ULA) e diversos registros (registradores) especiais. Microcontrolador: Microcomputador-de-um-só-chip que

reúne no mesmo chip os diversos

elementos de um microcomputador: microprocessador, RAM, ROM, temporizadores, contadores, canal de comunicação serial e portas de I/O. Alguns podem ainda conter elementos para uso industrial, tais como conversores A/D, D/A, PLL, e PWM. Os microcontroladores são circuitos integrados extremamente flexíveis devido às suas características de programabilidade. A programação do componente torna-o versátil para diversas aplicações. Uma dessas aplicações é o recebimento de uma informação, como a temperatura e o acionamento de cargas como um condicionador de ar, foco do nosso trabalho.



















13 •

2K Bytes EEPROM

•

(100,000 Ciclos de Write/Erase );

•

4V a 6V Faixa de Operação;

•

256 X 8-bit de RAM Interna;

•

32 Linhas de I/O programáveis;

•

Três Timer/Counters de 16-bit;

•

Nove Fontes de Interrupção;

•

Oscilador de clock interno; interno;

•

Freqüência de clock de de 0Hz até 24MHZ;

•

Encapsulamento DIP-40pinos

2.6. DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO Os DISPLAYS LCD – DISPLAYS DE CRISTAL LÍQUIDOS são módulos destinados à visualização das informações manipuladas pelo circuito microprocessado. São disponíveis na forma de caracteres, como o que utilizaremos no nosso trabalho, mas também na forma gráfica, como as calculadoras da HP, 48G+ por exemplo.



















14 Podemos ter várias configurações para comunicação sendo a mais usual a que utiliza 10 pinos do microcontrolador. •

8 pinos de dados (porta P0, por exemplo)

•

2 pinos de controle (Px.x = RS e Px.x = E) Onde: RS = 1 dado e E = 1 habilita display

2.7. CIRCUITO DE POTÊNCIA Na porta de um microcontrolador obtemos sinais de controle em dois níveis: nível lógico (alto = 5V) e nível lógico (baixo = 0), ou seja, circuitos TTL. Os mesmos podem ser utilizados para acionar circuitos externos. Entretanto, a corrente fornecida ou drenada por esses circuitos é muito baixa, o que significa uma impedância alta ao circuito. Isso causa uma degradação do sinal quando inserimos carga e/ou queima do circuito interno do dispositivo de lógica. Para contornar esse problema usamos dispositivo de amplificação e/ou de isolamento e outro para altos valores de corrente. Esse último é chamado de Etapa ou Circuito de Potência.



















15 mesmo com curta duração, acarretará numa perda de receita para a empresa de telecomunicações. Logo, o sistema de climatização é de suma importância. Componentes dos Condicionadores de ar: •

Chave seletora: Através deste componente são selecionadas as operações do aparelho. Neste projeto, iremos trocar essas chaves por teclas.

•

Termostato: Tem a função de controlar a temperatura do ar do ambiente. Ele desliga o compressor quando o ar atinge a temperatura desejada. Neste projeto iremos substituir o termostato por um sensor eletrônico de maior precisão.

•

Compressor Hermético: responsável pelo funcionamento do ciclo de refrigeração, promove o bombeamento do fluido refrigerante, que ao retornar do evaporador no estado gasoso é succionado e bombeado para o condensador, causando baixa pressão no evaporador e alta pressão no condensador.

•

Condensador: tem como função dissipar o calor c alor que o fluido refrigerante absorveu ao longo do sistema de refrigeração. È no condensador que o gás superaquecido ao perder calor para o meio ambiente, passa do estado gasoso para o líquido.

•

Elemento de controle: sua função é criar uma obstrução ao fluido refrigerante, causando uma diferença de pressão entre condensador e evaporador. O gás refrigerante passa pelo elemento de controle em direção ao evaporador, onde



















16 CAPÍTULO 3

3. DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA

3.1 INTRODUÇÃO Projetar um determinado sistema eletrônico envolve uma análise detalhada de cada bloco que faz parte do sistema. Sabendo disso, a elaboração de projetos se torna um pouco pessoal. Mesmo assim, existe uma linha de raciocínio comum para todo projetista, um “ backbone”. Nos próximos tópicos está uma determinada seqüência, na qual seguimos, para facilitar a elaboração do projeto supra citado. Então descreveremos neste capítulo todas as etapas do projeto, desde a sua concepção inicial até o seu funcionamento final.

3.2 PARTIÇÃO DO SISTEMA





















17 A primeira parte é sobre o desenvolvimento do hardware, onde tratamos do diagrama em blocos, pinagem dos componentes, diagrama esquemático, layout da placa e da lista de componentes. A segunda parte é sobre o descritivo do princípio de funcionamento do sistema, escrita do algoritmo, escrita do código – fonte na linguagem de programação escolhida, etc. As partes estão resumidas na tabela 3.1. Tabela 3.1 – Particionamento do projeto.

Parte (1) – DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE A) DIAGRAMA EM BLOCOS; B) SELEÇÃO E PINAGEM DOS COMPONENTES;





















18

3.3 DESENVOLVIMENTO DE HARDWARE

3.3.1 DIAGRAMA DIAGRA MA EM BLOCOS BLO COS Nosso sistema digital obedece ao diagrama de entrada, saída e elemento de processamento da figura 3.2.





















19





















20 Tabela 3.2 – Componentes escolhidos.

DISPOSITIVO

FUNÇÃO

Sensor

Converte a grandeza física temperatura Custo, facilidade de ligação (3 pinos), em sinal elétrico.

LM 35 DZ Ampli–op

VANTAGEM DE UTILIZAÇÃO maior confiabilidade em relação aos termopares e termistores, pois é um CI.

Amplifica o sinal recebido pelo sensor.

Custo, Não precisa de ajuste off-set.

LM 324 N TLC 549 CP

Recebe a grandeza elétrica analógica e a Transmissão serial dos bits convertidos, transforma em bits. Manda os bits só precisaremos de 3 pinos do convertidos para o microcontrolador de Microcontrolador, forma serial.

comparado

ao

conhecido ADC0808 que utiliza só para



























































24 A figura 3.5 mostra as etapas do desenvolvimento de um projeto:

ESPE ES PECI CIFI FIC CAÇ O























25 - LCD atualizado freqüentemente, mostrando o valor da temperatura do ambiente monitorado. - Teclado com 4 teclas funcionais, onde: 2 teclas mudança de variáveis.























26 3.4.2 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SISTEMA

Durante o estudo dos componentes eletrônicos descobrimos que para termos informações do meio externo (temperatura) é necessário usar o sensor de temperatura que foi o LM35 que a cada

























27

























28

























29

























30

























31









































































ESCOLA POLITÉCNICA DE PERNAMBUCO - UPE DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROJETO DE FINAL DE CURSO

DESENVOLVIMENTO DE UM TERMOSTATO DIGITAL MICROCONTROLADO por

ARTUR RAFAEL MARANHÃO DE OLIVEIRA CÍCERO JOSÉ DOS SANTOS JÚNIOR TIAGO CAVALCANTI ALVES

Monografia submetida submetida ao Departamento de Engenharia Engenharia Elétrica da Escola Politécnica de Pernambuco.

ORIENTADOR: ZÍLCIO DE LAVOR SALES, Msc

Recife, Dezembro de 2005.





































































































































































































































































21 A figura 3.4 mostra o diagrama em blocos da figura 3.3 com os componentes já selecionados.























23 07

1

regulador de tensão 7805 – 1A

U1

08

1

resistor 1/4W 330 ohms

R1

09

1

LED redondo pequeno vermelho

D2

10

1

sensor LM 35 DZ - (TO-92 plastic)

U2

11

1

amplificador operacional LM 324 N (DIP-14)

U3























24 A figura 3.5 mostra as etapas do desenvolvimento de um projeto:

ESPE ES PECI CIFI FIC CAÇ O













Termometro Digital 8051

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