projeto e construção de uma fonte microcontrolada de alta tensão e

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