LUIS HENRIQUE FERNANDES PROJETO E CONSTRUÇÃO DE UMA FONTE MICROCONTROLADA DE ALTA TENSÃO E DIMINUTAS DIMENSÕES COM INTERFACE COMPUTACIONAL ATRAVÉS DE PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO USB Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à Escola de Engenharia de São Carlos, da Universidade de São Paulo Curso de Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação ORIENTADOR: Valentin Obac Roda São Carlos 2007 Sumário Dedicatória 3 Agradecimentos 4 Resumo 5 Abstract 6 1. Introdução 7 1.1. Eletroforese Capilar 7 1.2. Instrumentação 8 1.3. Fonte de alta tensão 9 2. Desenvolvimento 11 2.1. Microfontes 11 2.2. Circuito de alimentação para as microfontes 12 2.3. Conversor digital/analógico 13 2.4. Circuito de medida da corrente 13 2.5. Microcontrolador 14 2.6. IHM 16 2.7. Hardware 17 2.8. Fonte de alimentação 18 2.9. Protocolo de comunicação 21 2.10. Programação do firmware 22 2.11. Características gerais do equipamento 22 2.12. Software de interface 23 3. Resultados 24 4. Conclusão 25 5. Referências bibliográficas 26 2 Dedicatória Dedico este trabalho aos meus queridos pais Josué e Roseli e a meu irmão Renato pela inestimada ajuda afetiva e financeira em todos os momentos da minha vida e ao meu grande amor Cinthia, que me ensinou o que é a felicidade. 3 Agradecimentos Agradeço a todos os professores pelo companheirismo e pelo aprendizado nestes cinco anos. Especialmente aos professores Veronese e Sartori pela ajuda com este trabalho. Agradeço aos amigos Cabeça, Velinho, Farelo, Tonho, Mori, Bicudo, Cabelinho, Panosso e Peninha pela troca de experiências, pela força nas horas difíceis e pelas cervejas no CAASO. Por fim, agradeço a todo o pessoal do Laboratório de Cromatografia pela convivência nos dois anos de iniciação científica, especialmente ao Renê pelo companheirismo e parceria no projeto e a meus orientadores Emanuel Carrilho, Nilson Assunção e Valentin Obac Roda por me incentivarem e acreditarem neste projeto. 4 Resumo Fontes de alta tensão em corrente contínua são largamente utilizadas como gerador de campo elétrico nos mais variados tipos de aplicação. Como exemplo, podese citar o seu uso em impressoras, máquinas geradoras de raio X, em dispositivos piezelétricos e como gerador de diferença de potencial elétrico em análises eletroforéticas. Dessa maneira, é encontrada uma grande variedade de fontes de alta tensão no mercado. Porém, as fontes comerciais existentes têm grande dimensões, custo muito elevado e na sua maioria só possuem controle e monitoramento analógicos, tornando-as pouco práticas quando utilizadas em ensaios repetitivos que necessitem de automatização. Este trabalho propõe a construção de uma fonte microcontrolada, de diminutas dimensões, que possua todo o seu controle e monitoramento feito através de interface computacional e que tenha custo bem menor do que as fontes comerciais analógicas. Além disso, a comunicação via USB e o software de interface da fonte desenvolvido em linguagem Java poderão conferir portabilidade e rapidez de configuração ao equipamento. Como prova de sua eficácia, o equipamento será ensaiado e comparado com os resultados obtidos de uma fonte comercial amplamente utilizada. Palavras-chave: Fonte de alta tensão, Microcontroladores, USB, PIC, Conversor DC/DC, Eletroforese Capilar 5 Abstract High voltage suppliers with direct current are widely used as electric field generator in the most varied types of applications, at example in printers, x-ray machines, piezoelectric devices and in electrophoretical analysis. Thus, there are a large variety of suppliers in the market, but they are big and have high costs, besides they have just analogical control and monitoring, making them less practical when used in repetitive experiences that needs automation. This work proposes the construction of a micro-controlled high voltage supplier with small dimensions, digital control and measurement and smaller costs than commercial analogical suppliers. Moreover, the USB communication protocol and the interface software developed in JAVA gives portability and speed of the equipment configuration. As proof of its effectiveness, the equipment will be tested and compared with those obtained from a analogical and commercial supplier widely used. Keywords: High Voltage supplier, Microcontrollers, USB, PIC, DC/DC converter, Capillary Electrophoresis 6 1. Introdução 1.1. Eletroforese Capilar O fenômeno denominado eletroforese é definido como sendo a migração de espécies carregadas eletricamente, que ocorre quando as mesmas são dissolvidas ou suspensas em um eletrólito, através do qual uma corrente elétrica é aplicada. Esta técnica de separação foi desenvolvida pelo químico Arne Tiselius para o estudo de proteínas em soro e por este trabalho ele ganhou o prêmio Nobel em 1948 [1]. Este método, denominado solução livre, era bastante limitado devido à instabilidade do aparelho, e mais significativamente, pelos efeitos de difusão e aquecimento gerados pelo campo elétrico, os quais comprometiam a resolução (a separação) dos compostos. Estes efeitos foram minimizados com a introdução de suporte (gel ou papel) que ajudou a conter o movimento livre dos analitos, de forma que o efeito da difusão fosse diminuído. Entretanto este sistema oferecia um baixo nível de automatização, tempos de análise longos e, após a separação, a detecção era feita visualmente. A eletroforese capilar (EC) é uma técnica que foi introduzida em 1981, por Jorgenson e Lukacs e tem sido cada vez mais aceita como um importante método analítico. Em sua forma mais simples a EC é uma aproximação da técnica original, descrita por Tiselius, porém emprega-se um tubo capilar preenchido com um eletrólito, conforme o próprio nome sugere. A eletroforese capilar (EC) é uma técnica aplicável na determinação de uma grande variedade de amostras, incluindo hidrocarbonetos aromáticos, vitaminas hidro e lipossolúveis, aminoácidos, íons inorgânicos, ácidos orgânicos, fármacos, catecolaminas, substâncias quirais, proteínas, peptídeos e muitos outros. Uma característica que difere a EC das outras técnicas é a sua capacidade única para separar macromoléculas carregadas eletricamente de interesse tanto em indústrias de biotecnologia quanto em pesquisas biológicas. Por exemplo, o projeto Genoma Humano, que foi concluído recentemente, teve como meta obter a seqüência completa do DNA humano e para isso foi necessário distinguir os diversos polinucleotídeos, com massas molares por volta de 200 a 500 Daltons (Dalton = u.m.a.) que diferiam entre si por um único nucleotídeo. Somente a EC tem resolução suficiente para este tipo de separação. Além disso, o DNA humano contém cerca de 3 bilhões de nucleotídeos e as 7 altas velocidades de análises, obtidas pela EC, permitiram que milhares de nucleotídeos fossem seqüenciados em um único dia. [1] 1.2. Instrumentação Geralmente o funcionamento de um equipamento de eletroforese capilar - EC (Figura 1) envolve a aplicação de alta tensão, tipicamente 1 a 30 kV em um capilar de diâmetro reduzido, gerando correntes na faixa de 1 a 1000 µA. O uso do capilar apresenta várias vantagens, particularmente com respeito ao aquecimento Joule. A alta resistência elétrica do capilar permite a aplicação de campos elétricos altos pois gera um aquecimento mínimo, além disso o formato de capilar propicia uma dissipação eficiente do calor gerado.O uso de campos elétricos altos resulta em tempo de análise curto, alta eficiência e resolução. Na eletroforese capilar, o capilar é preenchido com uma solução tampão e suas extremidades são mergulhadas em recipientes, que contém a solução tampão, e onde é aplicado um campo elétrico, que gera uma corrente no interior do capilar. Os eletrodos são feitos de um material inerte, tal como, platina, e são também mergulhados na solução para fechar o circuito. O capilar passa através de um detector, usualmente um detector espectrofotométrico de absorção no UV/Vis. Figura 1 – Ilustração de um sistema de eletroforese capilar (EC). 8 Uma pequena quantidade de amostra é introduzida em uma das extremidades do capilar. A aplicação do campo elétrico provoca o movimento dos analitos em direção aos eletrodos. As separações em EC são baseadas na presença de um fluxo eletricamente induzido, denominado fluxo eletro-osmótico (FEO), um fenômeno eletroforético que gera o fluxo da solução dentro do capilar, que faz com que os solutos se movimentem em direção ao detector. Este fluxo pode reduzir significativamente o tempo de análise ou forçar um íon a reverter a sua tendência de migração em direção a um eletrodo, pelo qual está sendo atraído, devido ao sinal de sua carga. O gráfico gerado pelo detector, tempo em função de resposta do detector, é denominado eletroferograma (Figura 2) [2]. Figura 2 – Eletroferograma típico para uma análise de eletroforese Capilar (CE). 1.3. Fonte de alta tensão A tendência para inovação nas análises de eletroforese capilar tem sido o desenvolvimentos de tecnologias para conferir portabilidade e automatização aos equipamentos e ao sistema como um todo para que seja possível realizar essas análises em campo, fora dos laboratórios. Para tanto, é necessário diminuir o tamanho dos equipamentos e facilitar as análises no âmbito operacional. Abaixo (figura 3) podemos observar um sistema de eletroforese capilar (EC) portátil. Este trabalho propõe o desenvolvimento de uma parte fundamental dos sistemas de eletroforese capilar segundo essas novas tendências: a construção de uma fonte de alta tensão de pequenas dimensões totalmente controlada por um computador. 9 Pequenas dimensões conferem portabilidade e o controle computacional confere a automatização necessária. Figura 3 – Sistema de Eletroforese Capilar (EC) portátil. Para o sistema proposto, foram definidas as características técnicas da fonte de alta tensão (Tabela 1). CARACTERÍSTICA Tensão Corrente máxima Linearidade no ajuste de tensão e corrente Resolução de ajuste de tensão Resolução de ajuste de corrente Resolução de leitura da tensão Resolução de leitura da corrente Velocidade de atualização de controle e monitoramento FAIXA 1kV a 6kV 160μA <2% <20V <1μA <20V <1μA <1ms Tabela 1 – Características técnicas requeridas para a fonte de alta tensão. 10 O elemento elevador de tensão (conversor DC/DC) será um componente comercial. Portanto, o trabalho será mais focado no desenvolvimento do circuito de alimentação, controle e monitoramento desse componente. Será utilizado um microcontrolador para controlar todo o equipamento e se comunicar com a interface computacional. Como interface, será desenvolvido um software multiplataforma na linguagem de programação Java para se comunicar com a fonte. Esse software será capaz de traçar em forma de gráfico o comportamento das tensões e das correntes durante o periodo de aquisição, além de disponibilizar esses dados na forma de uma tabela de dados acessível a qualquer outro software para futuras análises dos dados obtidos. Pensando na versatilidade do uso do equipamento, será desenvolvido uma interface homem-máquina (IHM) com teclado e display para a operação do equipamento quando desconectado do computador. 2. Desenvolvimento 2.1. Microfontes Inicialmente foram adquiridos dois elementos conversores de tensão em corrente contínua da fabricante EMCO HIGH VOLTAGE CORPORATION, o Q30-5 com saída de 0 a 3kV e o Q30N-5 com saída de 0 a -3kV. Ambos os componentes podem ser alimentados por tensões em corrente contínua de 0 a 5V, sendo as suas saídas aproximadamente lineares em relação às entradas a partir de 0,7V de entrada, que é a mínima tensão de alimentação do circuito comutador interno do conversor. O ganho para estes dois conversores comutados é de aproximadamente 600 vezes e possuem corrente máxima de saída de 160µA. Esses componentes elevadores de tensão foram escolhidos pela compatibilidade dos valores de tensão e corrente em relação ao necessário em análises eletroforéticas, pela facilidade de alimentação e controle e pelo seu tamanho reduzido, que irá conferir diminutas dimensões ao equipamento final. Cada fonte tem dimensões de 1,27 x 1,27 x 1,27 cm e pesa cerca de 4,25 gramas (Figura 4). O fator de ondulação para este componente é menor que 0,5%. Ele possui proteção para curto-circuito e isolação entre entrada e saída. A corrente de alimentação com máxima carga é de 200mA e a freqüência de comutação do circuito interno pode variar entre 100kHz a 225kHz. 11 Figura 4- Microfontes. 2.2. Circuito de alimentação para as microfontes Como a tensão de alimentação também é a tensão de controle das microfontes, foi necessário utilizar um driver de corrente para alimentar cada uma delas. Esse driver foi construído utilizando-se um amplificador operacional de potência, o OPA547 da Texas Instruments. Este amplificador tem corrente máxima de saída de 500mA. O amplificador foi alimentado com tensões de +12V e -12V, pois como não é rail to rail, se fosse alimentado com 0V e 12V, sua saída nunca chegaria a 0V, tensão necessária para desligar as microfontes com segurança. O amplificador foi montado na configuração seguidor de tensão. Há um circuito limitador de corrente no amplificador operacional (Figura 5) que foi utilizado para eliminar possíveis problemas de sobrecorrente no circuito. Através de um potenciômetro, a máxima corrente foi ajustada para 200mA, corrente máxima requisitada pelas microfontes em operação normal. R21 20k 2 7 CONVERSOR_D/A 1 C25 100nF 2 V- 4 3 3 100nF I_LIM E/S V_IN+ OPA547 5 R24 POT_10k V+ 1 VDD C22 V_O 6 ALIMENTAÇÃO_MICROFONTES V_IN- Fig. 5- Configuração de montagem do amplificador operacional OPA547. 12 2.3. Conversor digital/analógico Para regular a tensão das microfontes a partir de um sinal digital proveniente da interface computacional foi necessário o uso de um conversor digital / analógico. Neste projeto, utilizamos o conversor D/A (digital/analógico) de 8bits TLC7226 (Figura 6). Esse componente integrado tem 4 saídas independentes e interface paralela de comunicação. Neste projeto utilizou-se duas saídas, uma para cada microfonte. O sinal de tensão varia de 0 a 5V em passos de 19,5mV. Esta tensão é enviada ao driver de corrente, que possui ganho 1, e depois entregue às microfontes com a corrente necessária, pois a saída do conversor D/A possui alta impedância e não é suficiente para alimentá-las. Figura 6 - Conversor digital analógico TLC7226CDW. 2.4. Circuito de medida da corrente de alimentação das microfontes Neste projeto, é de fundamental importância o monitoramento da corrente fornecida pelas microfontes. Porém, a medição da corrente na lado de alta tensão das microfontes é quase impossível, uma vez que ao altos valores de potencial não são suportados pelos circuitos de medição. Como saída para esse problema, foi instalado um circuito de medição na entrada das microfontes, onde o nível de tensão varia de 0 a 5V. O circuito consiste basicamente de um resistor de baixa resistência (0,1 Ohm) e de um circuito integrado multiplicador de tensão, o MAX4377 da Maxim. Assim, a corrente 13 consumida pela microfonte passa pelo resistor de baixa resistência e gera uma diferença de potencial proporcional à esta corrente. Essa pequena diferença de potencial sobre o resistor é então multiplicada por 100 pelo circuito integrado MAX4173 e depois lida por um conversor A/D (analógico/digital). Como a microfonte entrega no máximo 160µA e consome no máximo 200mA, teremos sobre o resistor a tensão máxima de (200m x 0,1Ohm) 20mV. Uma vez que o circuito integrado multiplica a tensão por 100, a máxima tensão de saída será de 2V. -SHUNT1 VCC Q30-5 ALIMENTAÇÃO_MICROFONTE_2 C23 100nF C20 100nF 1 2 +IN RTN -IN HVOUT 4 GND 3 +HVOUT C12 C13 C14 1nF/25V/c100nF/25V/c 10uF/25V/t 8 -SHUNT2 +SHUNT2 C19 100nF -SHUNT1 2 +SHUNT1 3 Q30N-5 SHUNT 0R1 C24 100nF 1 2 +IN RTN -IN HVOUT 4 GND 3 -HVOUT +SHUNT2 5 -SHUNT2 6 RS1- 4 ALIMENTAÇÃO_MICROFONTE_1 GND SHUNT 0R1 VCC +SHUNT1 MEDIDOR DE CORRENTE RS1+ RS2+ RS2- OUT1 1 AD1_PIC 7 AD2_PIC MAX4377 OUT2 Fig. 7- Circuito de medição da corrente consumida pelas microfontes. Medindo-se a corrente que a microfonte consome, sabendo-se a relação de transformação de tensões e a tensão ajustada, pode-se calcular a corrente de saída das microfontes com precisão de aproximadamente 0,8µA. 2.5. Microcontrolador Foi escolhido o microcontrolador PIC18F4550 da Microchip para controlar todo o equipamento e se comunicar com a interface computacional pelos motivos listados abaixo [4]: • Comunicação USB; • Grande número de pinos e funções (40); • Conversores A/D de 10 bits; • Memória de programa grande (32Kb); • Programação em linguagem C; 14 Possibilidade de reprogramação através de bootloader pela USB. • Neste equipamento, o microcontrolador é responsável por: Se comunicar com a interface computacional através de comunicação • USB e protocolo desenvolvido; Adquirir sinal referente à corrente consumida pelas microfontes através • de conversores analógico/digital; • Controlar tensão das microfontes; • Controlar Leds indicadores de estado do equipamento; • Ler dados do teclado da IHM; • Controlar display da IHM. O microcontrolador foi montado com um cristal de 20MHz, requisito para que a comunicação USB funcione corretamente. No seu circuito (Figura 8), há duas chaves que servem para reinicia o microcontrolador ou colocá-lo em modo de programação. Uma das preocupações no projeto foi com a filtragem do sinal de alimentação, já que a fonte utilizada é chaveada. Por este motivo foi utilizado um grande número de capacitores desacopladores. PIC18F4550 14 22pF/50V/c R5 39k 560R C6 R11 R13 R14 10k 10k 10k RA4 RA5 2 3 4 5 6 7 RE0 RE1 RE2 8 9 10 RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/Vref -/CVREF RA3/AN3/Vref + RD0/SPP0 RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RD1/SPP1 RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT RD2/SPP2 RD3/SPP3 RD4/SPP4 RE0/AN5/CK1SPP RD5/SPP5/P1B RE1/AN6/CK2SPP RD6/SPP6/P1C RE2/AN7/OESPP RD7/SPP7/P1D 12 VCC C8 C9 1nF/50V/c 10nF/50V/c 32 RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2/UOE RC2/CCP1/P1A VUSB RC4/D-/VM RC5/D+/VP RC6/TX/CK RC7/RX/DT/SDO Vss 1 RA0 RA1 100nF/50V/c C7 10uF/25V/e MCLR/Vpp/RE3 C4 100nF/50V/c SW2 PIC-5V 1 2 R4 PIC-5V 33 34 35 36 37 38 39 40 RB0 RB1 RB2 RB3 15 16 17 18 23 24 25 26 RC0 RC1 RC2 USBB2 USBB3 RC6 RC7 19 20 21 22 27 28 29 30 RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 RB5 RB6 RB7 PIC-5V R3 10k 1 2 SW1 R6 R7 10k R8 R9 10k R10 10k 10k 10k PIC-5V C5 470nF/50V/c Vss 13 Y1 20Mhz 22pF/50V/c C3 RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RB1/AN10/INT1/SCK/SCL OSC1/CLKIN RB2/AN8/INT2/VMO RB3/AN9/CCP2/VPO RB4/AN11/KBI0/CSSPP RB5/KBI1/PGM RB6/KBI2/PGC OSC2/CLKOUT/RA6 RB7/KBI3/PGD 31 C1 PIC18F4455-I/P Vdd Vdd U1 11 PIC-5V C10 C11 100nF/50V/c 1uF/25V/e 15 Figura 8 - Circuito de ligação do PIC. 2.6. IHM O equipamento possui uma interface computacional e uma IHM (Interface homem-máquina). A IHM é constituída por um teclado de 6 teclas e por um display alfanumérico de 2x16 dígitos. Para economizar o uso dos pinos do microcontrolador, o circuito do teclado foi projetado em forma de matriz (Figura 9). Assim, teve-se a economia de um pino em relação ao modo normal de ligação [5]. PIC_RE0 PIC_RE1 PIC_RE2 SW1 PIC_RC6 SW2 1 2 1 Chave 1 1 SW6 2 Chave 2 Chave SW5 2 Chave 1 Chave SW4 PIC_RC7 SW3 2 1 2 Chave Figura 9 - Circuito de ligação do teclado ao microcontrolador. Neste modo de ligação, é necessário desenvolver um procedimento em firmware onde dois sinais em forma de pulso complementares são aplicados nos pinos RC6 e RC7 e são comparados com os sinais lidos nos pinos restantes. Assim, é possível saber qual tecla está sendo pressionada. O display foi ligado ao microcontrolador através de um shift register, circuito integrado 74HC164 da Fairchild, onde a informação a ser mostrada no display chega de forma serial através de 3 pinos (Figura 10). Assim, economizou-se 7 pinos em relação à ligação em paralelo. 16 DISPLAY VCC 1 10K 3 POT 10K 8 9 VCC 74HC164 1 2 A B 14 VCC Vo RS CLK CLR GND RB0 RB1 RB2 2 100nF/50V/c QA QB QC QD QE QF QG QH 3 4 5 6 10 11 12 13 7 VCC E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 VCC BACK 47R 2W Figura 10 - Circuito de ligação do display. 2.7. Hardware O hardware foi primeiramente projetado esquematicamente (Figura 11) e depois desenvolvido através do software ORCAD 9.1 (Figura 12 e 13). A placa do circuito (Figura 14) foi construída por uma fresadeira, que utiliza o software CircuitCam 3.1 para importar os arquivos do ORCAD e configurar a máquina. 17 Figura 11- Diagrama do hardware. 2.8. Fonte de alimentação Foi utilizada uma fonte chaveada comercial para alimentar o equipamento. A fonte entrega tensões DC de +12V e -12V com capacidade de 2 amperes por saída. No equipamento foi instalado um regulador de tensão de 5 volts, uma vez que alguns CI’s necessitam desse nível de tensão. Também foram instalados capacitores para filtrar as tensões de alimentação, evitando assim possíveis ruídos e interferências provenientes da fonte chaveada. 18 PIC18F4550 C4 100nF/50V/c 1 RA0 RA1 C6 100nF/50V/c RE0 RE1 RE2 8 9 10 RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/Vref -/CVREF RA3/AN3/Vref + RD0/SPP0 RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RD1/SPP1 RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT RD2/SPP2 RD3/SPP3 RD4/SPP4 RE0/AN5/CK1SPP RD5/SPP5/P1B RE1/AN6/CK2SPP RD6/SPP6/P1C RE2/AN7/OESPP RD7/SPP7/P1D Vss R11 R13 R14 10k 10k 10k RA4 RA5 2 3 4 5 6 7 VCC 12 PIC-5V C7 10uF/25V/e C8 C9 1nF/50V/c 10nF/50V/c RC0 RC1 RC2 USBB2 USBB3 RC6 RC7 19 20 21 22 27 28 29 30 RD0 RD1 RD2 RD3 RD4 RD5 RD6 RD7 RB5 RB6 RB7 3 POT 10K 100nF/50V/c 2 SW1 VCC 10k R6 RB0 RB1 RB2 PIC-5V R7 R8 R9 10k R10 10k 10k 10k 74HC164 1 2 A B C5 470nF/50V/c 8 9 CLK CLR 3 4 5 6 10 11 12 13 QA QB QC QD QE QF QG QH VCC 47R 2W C10 C11 100nF/50V/c 1uF/25V/e LED MEDIDOR DE CORRENTE VCC 11 RD4 10 RD5 9 RD6 8 RD7 7 VCC 4 RC1 15 DB1 DB2 +SHUNT2 1 OUTB DB3 DB4 DB6 R15 1K D2 LED AB R16 1K D3 LED AB R17 1K -SHUNT2 AMP2 4 8 2 3 1 5 7 6 RA0 RA1 20 19 OUTD DB7 WR* D1 LED AB RB7 MAX4377 OUTC DB5 +SHUNT1 AMP1 2 OUTA REF RB6 VDD PROTECÃO C16 C17 1nF/25V/c100nF/25V/c 10uF/25V/t 6 5 C15 VCC VDD 1 12 -SHUNT1 DB0 1 RD2 RD3 A1 JP1 DGND 13 AGND 14 RD1 C13 C14 1nF/25V/c100nF/25V/c 10uF/25V/t V_SS A0 16 RD0 V_DD 17 C12 3 18 CONVERSOR D/A TLC7226CDW RC0 D4 D5 ZENER 5 ZENER 12 2 2 AMPLIFICADORES 47R 2W R18 20k VDD C18 C21 2 100nF E/S OPA547 V_IN+ V_O V_IN- 1 C22 3 3 7 AMP2 1 C25 2 100nF I_LIM E/S V_IN+ V_IN- -SHUNT1 SHUNT 0R01 P1 2 1 Q30-5 C20 100nF 1 2 +IN RTN -IN HVOUT 4 RTN 3 +HVOUT VDD 100nF 5 27.775k 4 2 V- POT_10k 6 C19 100nF R20 20k R23 +SHUNT1 I_LIM OPA547 V_O -SHUNT2 1 +SHUNT2 7 AMP1 V+ 3 3 47R 2W FONTE HV 100nF V- 27.775k 5 POT_10k 4 2 V+ 1 R19 V0 RS E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 VCC BACK 31 SW2 15 16 17 18 23 24 25 26 1 2 32 11 RC0/T1OSO/T13CKI RC1/T1OSI/CCP2/UOE RC2/CCP1/P1A VUSB RC4/D-/VM RC5/D+/VP RC6/TX/CK RC7/RX/DT/SDO MCLR/Vpp/RE3 10K 10k 14 1 560R 1 R3 VCC R5 2 R4 39k RB0 RB1 RB2 RB3 GND 14 VCC PIC-5V 33 34 35 36 37 38 39 40 7 Y1 20Mhz 22pF/50V/c PIC-5V Vdd Vdd RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RB1/AN10/INT1/SCK/SCL OSC1/CLKIN RB2/AN8/INT2/VMO RB3/AN9/CCP2/VPO RB4/AN11/KBI0/CSSPP RB5/KBI1/PGM OSC2/CLKOUT/RA6 RB6/KBI2/PGC RB7/KBI3/PGD 13 22pF/50V/c C3 PIC18F4455-I/P Vss C1 DISPLAY PIC-5V U1 SHUNT 0R01 P2 2 1 6 C23 100nF Q30N-5 C24 100nF 1 2 +IN RTN -IN HVOUT 4 RTN 3 -HVOUT CONECTORES VCC 1 RS 2 Vo 3 E 4 DB0 5 DB1 6 DB2 7 DB3 8 DB4 9 DB5 10 DB6 11 DB7 12 VCC BACK 13 14 CONECTOR LCD RE0 RE1 RE2 RC2 RC6 RC7 1 2 3 4 5 6 7 RE0 RE1 RE2 RC2 RC6 RC7 VCC JS1 D- 4 2 4 2 3 1 3 1 D+ RB5 CON USB-B FÊMEA CONECTOR TECLADO VDD VCC RA4 RA5 GND J3 1 2 3 4 5 CON VAZIO VDD VCC J4 1 2 3 CON ALIMENTAÇÃO Figura 12- Esquemático do hardware. 19 VCC Figura 13- Layout do hardware. Fig. 14- Aspecto final da placa. 20 2.9. Protocolo de comunicação Para que o equipamento se conectasse ao computador e mantivesse comunicação com o software, foi necessário desenvolver um protocolo. Para enviar um comando ao equipamento deve-se enviar 2 bytes, sendo que os dois primeiros bits do primeiro byte (Tabela 2) são utilizados como marcador (01 para indicar início de um comando) e os outros 6 bits para indicar o próprio comando (Tabela 3), e o segundo byte para passagem do parâmetro do comando. O retorno é feito através de 2 bytes com os valor da tensão e de mais 2 bytes com o valor da corrente em cada microfonte. Envio: Byte de comando 7 6 5 4 3 2 1 0 Tabela 2 – Byte de comando. • Para retorno do status do equipamento, deve ser enviado o byte 0xFF (11111111). O microcontrolador enviará o valor da tensão em 10bits (2 bytes) e o valor da corrente em 10 bits (2 bytes), sendo os últimos 6 bits do segundo byte o cheksum. • Para realizar o teste de comunicação, deve ser enviado o byte 0x1B (00011011). O microcontrolador retornará o byte 0x0F (00001111) para teste realizado com sucesso. • Demais comandos: 7 6 5 4 3 2 1 0 COMANDO CÓDIGO 0 1 0 0 0 0 0 0 Desliga fontes 64 0 1 1 0 0 0 0 0 Fontes acopladas 96 0 1 0 1 0 0 0 0 Fontes desacopladas 80 0 1 0 0 1 0 0 0 Seta tensão + 72 0 1 0 0 0 1 0 0 Seta tensào - 68 0 1 0 0 0 0 1 0 Seta corrente + 66 0 1 0 0 0 0 0 1 Seta corrente - 65 Tabela 3 – Comandos do protocolo. 21 2.10. Programação do firmware Todo o firmware foi desenvolvido em linguagem C através do software MPLab e do compilador C18 [3]. Uma grande facilidade conseguida para a programação foi o uso de um bootloader fornecido pela própria Microchip. O bootloader é um firmware que possibilita reprogramar o microcontrolador sem tirá-lo do seu circuito e sem utilizar um equipamento programador, utiliza-se somente o software de programação e a comunicação USB. 2.11. Características gerais do equipamento Há duas maneiras de controlar o equipamento: através de um software via comunicação USB ou através de sua IHM. Quando o cabo da comunicação USB não está conectado a um computador, a IHM comanda o equipamento. Quando o cabo é conectado, automaticamente a IHM é desativada, só permanecendo o controle via software. A saída de alta tensão possui dois bornes para o terra, que estão interligados, e um borne para cada uma das duas microfontes (Figura 15). O controle das microfontes é independente, podendo ser ajustados diferentes valores de tensão ou corrente para cada uma. As duas microfontes também podem ser interligadas para fornecer um maior valor de tensão (Tabela 4). O equipamento pode trabalhar como uma fonte de tensão ou de corrente, pois para cada microfonte, podem ser ajustados o valor da tensão ou da corrente requeridas. O valor da tensão é ajustado diretamente a partir do conversor D/A. Para ajustar a corrente existe uma rotina iterativa no firmware que ajusta a tensão e monitora a corrente repetidamente até encontrar um valor próximo ao requerido. FONTE FAIXA DE TENSÃO CORRENTE MÁXIMA Microfonte positiva 420V a 3kV 160μA Microfonte negativa -420V a -3kV 160μA Microfontes acopladas 840 a 6kV 160μA Tabela 4 – Configurações do equipamento. 22 Fig. 15- Aspecto final do equipamento. 2.12. Software de interface O Software MICSENS (Figura 16) foi desenvolvido em linguagem JAVA pelo aluno de Engenharia da Computação Renê de Souza Pinto, para controlar e monitorar o equipamento. Através dele pode-se ajustar tensões e correntes em períodos programáveis, além de construir gráficos da variação das tensões e correntes no tempo. Pode-se salvar os dados adquiridos pelo programa em um arquivo de texto, assim como também salvar a figura do gráfico traçado. Por ser desenvolvido em JAVA, o software é multi-plataforma, conferindo grande portabilidade ao sistema. 23 Figura 16 – Software MICSENS. 3. Resultados Para provar a funcionalidade e a qualidade do equipamento desenvolvido, foi realizado um experimento com o equipamento e uma fonte comercial, a Spellman CZE2000. O experimento se resume em conectar uma carga às fontes, variar a tensão e adquirir o sinal da corrente. A “carga” utilizada foi uma solução de Tetraborato de sódio 50mM e pH 9,0. Para este experimento as microfontes foram acopladas, entregando assim uma tensão máxima de 6kV (3kV + 3kV). Fig. 17 – Sistema de eletroforese capilar montado com as microfontes. 24 Os sinais de tensão e corrente foram adquiridos para o equipamento e para a fonte comercial, variando-se a corrente em passos de 1µA (Figura 18). Figura 18 – Comportamento da tensão versus corrente para as microfontes e a fonte Spellman. 4. Conlusão Analisando o gráfico obtido no experimento, pode-se observar uma região de não linearidade para a curva obtida com as microfontes, que se encontra entre 0V e aproximadamente 840V e acontece porque, com tensões abaixo de 420V, o circuito interno dos conversores comutados ainda não estão alimentados com tensão suficiente. Como elas estão acopladas, somente depois de 840V (420V + 420V) é que entrarão na região linear. A não linearidade da tensão nessa região é bem acentuada e a fonte não deve operar nessa faixa. Para tensões acima de 840V, ouve um desvio de no máximo 2% entre os valores obtidos utilizando o equipamento e utilizando a fonte comercial, representando um valor tolerável segundo o projeto. Conclui-se assim que o equipamento pode ser utilizado com grande confiabilidade na faixa de tensões de 800V a 6kV para o modo acoplado e de 420V a 3kV no modo desacoplado. Em relação ao custo de construção do equipamento, foi gasto aproximadamente R$600,00 no desenvolvimento do protótipo, enquanto a fonte comercial similar sem uma interface digital custa não menos que U$2000,00. 25 5. Referências Bibliográficas [1] Skoog, D. A., Holler, F. J. e Nieman T. Principes of Instrumental Analysis, Saunders College Publishing, Philadelphia, 1998. [2] Settle, F. Handbook of Instrumental Techniques for Analytical Chemistry, Prentice-Hall International Inc., New Jersey, 1997. [3] Pereira, F. Microcontroladores PIC: Programação em C, Editora Erica, São Paulo, 2003. [4] Smith, D. W. PIC in practice, Oxford, Newnes, 2005. [5] Cipelli, A. M. V. Teoria e desenvolvimento de projetos de circuitos eletrônicos, Editora Erica, São Paulo, 1990 26