Temperatura de Aquário

UTFPR – UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL PARANÁ
DAELN – DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
DAINF – DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE INFORMÁTICA
ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
ALUNOS:
CAMILA FERREIRA DE LIMA
RENAN KRUCHELSKI MACHADO
THIAGO AVELINO DA SILVA
VINICIUS DELATORRE
SISTEMA DE SENSOR DE TEMPERATURA PARA ACIONAMENTO
AUTOMÁTICO DE AQUECEDOR DE AQUÁRIO
CURITIBA – 2009
CAMILA FERREIRA DE LIMA
RENAN KRUCHELSKI MACHADO
THIAGO AVELINO DA SILVA
VINICIUS DELATORRE
SISTEMA DE SENSOR DE TEMPERATURA PARA ACIONAMENTO
AUTOMÁTICO DE AQUECEDOR DE AQUÁRIO
Trabalho
Acadêmico
apresentado
à
disciplina de Oficina de Integração,
como requisito parcial para obtenção de
nota
no
Curso
Computação
de
da
Engenharia
de
Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, sob
orientação
do
Professor
Douglas
Roberto Jakubiak.
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Sumário
Introdução........................................................................................................... 3
1.0 – Revisão do Estado da Arte ........................................................................ 4
1.1 - História do Aquário .......................................................................... 4
1.2 - Funcionamento do Aquário .............................................................. 4
1.3 – Peixe Betta ...................................................................................... 5
1.4 – Aquecedor ....................................................................................... 5
2.0 – O Projeto ................................................................................................... 6
2.1 – O Sensor ......................................................................................... 6
2.2 – Conversor Analógico Digital ............................................................ 8
2.3 – Decodificador Binário BCD............................................................ 12
2.4 – Decodificador BCD/7 segmentos .................................................. 14
2.5 – Display de 7 segmentos ................................................................ 15
2.6 – Mudança de Projeto ...................................................................... 16
2.7 – Circuito Integrado ICL7107 ........................................................... 17
2.8 – Circuito do Projeto de Monitoramento da Temperatura ................ 18
2.9 – Sistema de Acionamento Automático do Aquecedor .................... 19
3.0 – Resultados Práticos ................................................................................. 20
4.0 – Referências Bibliográficas ....................................................................... 21
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Introdução
O presente trabalho teve como motivação o aprofundamento nos
estudos das disciplinas de eletrônica digital, dispositivos eletrônicos e em
especial a utilização de sensores. O projeto tem como objetivo geral de
monitorar e controlar a temperatura da água do aquário, assim, como objetivo
específico introduzir o conhecimento de componentes eletrônicos e seu
funcionamento.
No projeto foi utilizado um sensor, circuito integrado LM35, específico
para a faixa de temperatura requerida pelo aquário, junto a ele foi utilizado um
sistema de monitoramento de temperatura, que processa as informações, e
logo em seguida são transmitidas ao usuário através de um painel com
displays de 7 segmentos. Completando o sistema, a parte de acionamento
automático do aquecedor, para a regulação da temperatura da água do
aquário.
Desta forma conseguiremos que sem a intervenção humana se
mantenha a temperatura ideal para o peixe especificado, garantido pelo
sistema mencionado e também de forma simples um termômetro digital.
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Capítulo 1 – Revisão do estado da arte
1.1 História do Aquário
A palavra aquário resulta da junção do termo latino aqua, que significa
água,
com
o
sufixo
-rium,
que
significa
"lugar"
ou
"edifício".[http://pt.wikipedia.org/wiki/Aquário]
A cultivação em aquário é uma prática antiquíssima. Os Sumérios,
povos antigos da mesopotâmia tem mantido peixes nas lagoas desde pelo
menos há 4.500 anos . Outras culturas humanas adiantadas que faziam a
cultivação em aquário incluem os egípcios, os asiáticos o chinês, o japonês e
os romanos. A criação na época se destinava tanto a comércio como para
enfeite quanto para a alimentação humana, primeiramente os peixes ficavam
em lagoas, depois eram alocados em recipientes de barro.
1.2 Funcionamento de um aquário
O aquário é um lugar que recebe plantas e animais muito sensíveis às
alterações que ocorrem ao ambiente. Alguns fatores que influenciam o habitat
do aquário e devem ter cuidados redobrados são: Iluminação, peixes são
animais que não possuem pálpebras, portanto não sabem diferenciar dia da
noite. Uma exposição de luz permanente os levará ao stress e possivelmente a
morte. Porém outro ponto a ser levado em conta são as algas que habitam o
aquário, elas necessitam de luz para fazer a fotossíntese, portanto deve se
existir um equilíbrio na quantidade diária de luz para que o ambiente esteja em
condições propícias para a vida.
A água é outro fator de suma importância, para isso necessita-se um
controle de pH. Para aquários de água doce ele fica por volta de 7,0. Um
equipamento indispensável também é a bomba submersa que faz a aguá
circular e a mantêm com boa oxigenação. A temperatura da água para alguns
peixes é extremamente fatal, os peixes por serem animais pecilotérmicos e
sofrerem alterações no metabolismo graças à temperatura externa, precisam
manter uma regularidade na temperatura do ambiente em que vivem. A
temperatura para se manter um equilíbrio variaentre 24º e 29º, dependendo
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das espécies de peixes utilizada. A filtragem da água ajuda a manter a
longevidade do aquário e dos peixes, o uso de filtros por isso auxilia bastante e
dispensa as trocas diárias de água para limpeza do mesmo.
1.3 Peixe Betta
O peixe Betta é originário da Tailândia e tem esse nome devido a uma
tribo indígena.Também conhecido como peixe de briga, ele não pode ser
colocado em mesmo aquário com outros peixes Betta. O Betta, diferente de
outros peixes que respiram submersos através das brânquias, consegue retirar
oxigênio da atmosfera graças à presença de um órgão auxiliar chamado
labirinto.A alimentação dos Bettas deve ser através de ração específica
encontrada em lojas especializadas e oferecida duas a três vezes ao dia em
uma quantidade que o animal consiga comer em minutos. A temperatura da
água deve ser de 27ºC e o ph 6.9. É aconselhada a colocação de algumas
plantas, como a "Sagittaria microfolia" e a "Ceratophillum demersum".[
http://www.petfriends.com.br/enciclopedia/esp_peixes/peixes_enciclopediabetta
.htm]
Escolheremos o peixe Betta para fazer parte do nosso sistema de
aquário automatizado, por ser um peixe que vive em águas estagnadas e maloxigenadas, como a dos arrozais, por exemplo. A respiração nessas águas só
é possível devido a um órgão auxiliar que os Bettas possuem, o labirinto, que
os permite retirar seu oxigênio da atmosfera. Por esse motivo, um betário não
precisa de oxigenação., diferente de peixes que com qualquer alteração no
ambiente são passiveis de morte. Assim como o foco do nosso trabalho é
relacionado a temperatura não precisaremos nos preocupar com a oxigenação
do aquário.
1.4 Aquecedor
O aquecedor de aquário tem a função de manter uma temperatura ideal
para que os habitantes consigam viver dentro do aquário. O recomendado para
um aquário é que a potência do aquecedor seja de 1 Watt por 1 Litro de água.
O nosso aquecedor é de 1 Watt, para satisfazer a proporção, a qual estamos
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atendendo de 1 para 1, e será regulado para ligar abaixo dos 24ºC e desligar
acima dos 29ºC.
Capítulo 2 – O Projeto
A proposta do nosso projeto é tornar automático o acionamento do
aquecedor do aquário, para que se mantenha a temperatura ideal para a
sobrevivência do peixe do gênero Betta, e monitorar a temperatura em um
display digital. De uma forma mais simplificada o projeto se caracteriza por um
sensor de temperatura da água e um sistema de acionamento automático do
aquecedor. A seguir o diagrama de bloco do circuito:
SENSOR
LM35
Conversor
Analógico
Digital
CI
ADC0804
Decodificador
Binário – BCD
74185
Decodificador
BCD – display 7
segmentos
7447
Decodificador
BCD – display 7
segmentos
7447
Circuito do
Aquecedor
Aquecedor
2.1 O Sensor
Circuito integrado usado para medição de temperatura LM35:
A série LM35 é um circuito integrado de sensor de temperatura preciso,
pois sua tensão de saída é linearmente proporcional a escala Celsius de
temperatura. O LM35 possui uma vantagem sobre os demais sensores de
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temperatura calibrados em escala Kelvin, porque o usuário não precisa subtrair
um valor da tensão de saída para obter uma calibração conveniente na escala
de graus. Outra vantagem é de não haver necessidade de uma calibração
externa. O LM35 apresenta-se em vários tipos de encapsulamentos, sendo o
mais comum o TO-92 (figura 3) que mais se parece com um transistor, e
oferece ótima relação custo benefício, por ser o mais barato dos modelos e
propiciar a mesma precisão dos demais.
[http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf]
Alguns recursos do LM35:
•
Calibrado na escala Celsius de temperatura;
•
Fator de escala linear de aproximadamente 10,0 mV / ° C;
•
Trabalha na escala entre −55° a +150°C;
•
Opera com baixas tensões.
•
A acuidade é de ± 0,25ºC à temperatura ambiente
Diagrama de conexões do LM35:
Figura 2 - Circuito simples de medição.
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Figura 3 - Vista de cima LM35(TO-92).
2.2 Conversor Analógico-Digital
CI ADC0804
Para converter o sinal proveniente do LM35 para digital utilizaríamos no
circuito um conversor analógico/digital – ADC0804, que é um dos modelos de
conversores existentes. Nessa conversão existe uma taxa de amostragem, a
qual representa o número de pontos capturados do sinal analógico por unidade
de tempo. Quanto mais pontos guardados, maior será a qualidade do sinal
quando for novamente transformado para analógico. Contudo, maior a
quantidade de memória necessária. Para resolver esse problema pode-se
aplicar alguns métodos, como a equação de Nyquist – a taxa de amostragem
deve ser duas vezes ao maior que a frequência máxima a ser guardada.
Normalmente conversores A/D podem ser comprados encapsulados,
mas o entendimento detalhado de seus comportamentos pode ser bastante útil
ao definir o melhor conversor a ser utilizado em cada situação. Existem
diversos tipos e maneiras de construir conversores A/D: projeto paralelo (o
flash), projeto vinculado a um integrador (por inclinação única e por dupla
inclinação), projeto sigma-delta (conversor A/D de 1 bit, oversampling) e projeto
vinculado a conversor digital/analógico (contador de rampa, aproximação
sucessiva).
O ADC0804 se trata de um ADC de aproximações sucessivas e é um
dos modelos de conversor mais empregados. Uma qualidade importante
devido a qual tínhamos optado por sua utilização é o baixo tempo de conversão
se comparado a alguns outros conversores A/D. Além disso, os ADCs que se
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englobam nessa categoria têm valor constante desse tempo, independente do
sinal de entrada.
Figura 4 – Para que servem sinais start e EOC
O esquema da figura 4 representa o funcionamento de um conversor
A/D de aproximações sucessivas. VA é a entrada analógica e as saídas digitais
estão entre o registrador de controle e o conversor D/A. A lógica de controle
altera bit a bit das informações guardadas no registrador até que o dado do
registrador torne-se o equivalente digital da entrada analógica VA. Nesse
momento a saída do amplificador operacional comparador vai para nível baixo
(até então encontrava-se em nível alto) e o número digital do registrador é o
equivalente digital de VAX, que por sua vez é uma aproximação de VA. A
temporização do processo é gerada por um sinal de clock de entrada. A lógica
de controle está continuamente alterando o número binário a ser armazenado
no registrador de controle. Utilizando o conversor com 8 bits, e supondo uma
entrada analógica de 142,5V (normalmente a faixa de operação é menor,
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utilizamos esse valor apenas para ilustrar o procedimento), o processo começa
com a lógica de controle iniciando com 0 todos os bits do registrador
Q7=Q6=...=Q0, expressando isso como [Q]=00000000. Logo a saída inicial VAX
é igual a zero. Sendo VAX < VA , a saída do comparador está no nível alto.
Na próxima etapa, a lófica de controle altera o MSB do registrador para
1 e temos [Q] = 10000000 e VAX = 128V. Como ainda temos VAX < VA a
saída do comparador permanece em nível alto. Esse nível alto é entendido pela
lógica de controle que alterando-se o MSB não faz VAX ultrapassar VA, assim
MSB é mantido como 1.
No próximo passo, a lógica de controle atua sobre o próximo dígito
retornando [Q]=11000000. Assim VAX = 192V. Como VAX > VA a saída do
comparador resultará em nível baixo. A lógica de controle compreende com
esse nível baixo que VAX é muito grande e portanto retorna esse último dígito
Q6 para 0.
Na próxima etapa, é alterado então o próximo dígito, resultando em
[Q]=10100000 e VAX = 160V. O nível baixo indica que o bit deve ser
setado(SETAR LEVAR AO NIVEL 1,RESETAR LEVAR AO NIVEL 0)
novamente como 0. Vamos para o próximo bit, com [Q]=10010000 e VAX =
144V. Assim Q4 volta a ser 0 também. Depois, [Q]=10001000 e VAX = 136V e,
então, a lógica de controle define Q3 como 1. Continuando o processo até o
LSB, chegamos em [Q]= 10001110 e VAX = 142V, que é ligeiramente menor
que VA. No entanto representa uma ótima aproximação.
No final do processo, todos os bits do registrador foram procesados e a
conversão termina. A lógica de controle então ativa a sua saída EOC para
indicar que o equivalente digital de VA está armazenado no registrador de
saída.
A importância de utilizarmos um conversor de 8 bits nesse caso está
ligada aos dois displays digitais pelos quais mostraremos a temperatura. Cada
display representará um dígito para representar a temperatura em notação
decimal variando de 00 até 99 ºC. Cada display apresenta 7 segmentos, logo
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para cada display devemos ter pelo menos 4 bits, e para os dois, pelo menos 8
bits.
Em seguida segue um esquemático do processo pelo qual é feita a
conversão no ADC0804.
Figura 5 – Processo em que a tensão Vax é convertida no decorrer do
tempo.
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Figura 6 – Sequência das etapas da conversão
2.3 Decodificador Binário - BCD
Após a aquisição do sinal analógico e consequentemente transformado
em um número binário, precisamos tratar esse binário para que seja codificado
de forma para representá-lo no display de 7 segmentos.
A codificação bcd é uma forma de representação de um número em um
binário. Ele representa cada dígito de um numero no sistema decimal por um
binário. Por exemplo:
O número binário 00100011 quem em decimal é 35, codificado em bcd
temos 0011 0101.
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A codificação será útil, pois usaremos dois displays de 7 segmentos
para representar um valor de 00 a 99, então precisamos de cada digito
separadamente. O CI que será utilizado será o DM74185, através de uma
lógica combinacional que é acoplado no CI, ele transforma uma palavra binária
em codificação BCD.
O
componente segue
o seguinte esquemático de ligação
e
funcionamento:
Figura 7 – Circuito Integrado DM74185
O CI utilizado tem 5 bits de entrada(A, B, C, D, e E na fig.07) no qual
pode se representar os números decimais de 0 a 31 então teremos que fazer a
combinação de 3 deles, para que obtenhamos a faixa de valores que
desejamos visualizar:
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Figura 8 – Combinação de 3 Circuitos Integrados DM74185
Com isso poderemos entrar com um binário de 8 bits e obter a
codificação em BCD desejada.
2.4 Decodificador BCD- 7 Segmentos
Após a conversão para BCD precisamos agora mostrar cada dígito em
cada display de 7 segmentos. Usaremos nesse caso o CI DM7447, que através
de uma lógica combinacional transforma a entrada de um binário de 4 bits em
uma representação do número em decimal em um display de 7 segmentos.
O
componente segue
o seguinte esquemático de ligação
e
funcionamento:
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Figura 9 – Circuito Integrado DM7447
2.5 Display de 7 segmentos
O display de 7 segmentos é um arranjo de 7 diodos foto-emissores
(LED), que são posicionados de forma que se possa ser representados os
números de 0 a 9.
Figura 10 – Display 7 segmentos
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Após a decodificação BCD-7 segmentos fica completo o processo de
aquisição de dados, com o sensor de temperatura e a visualização em um
display, para o fim de monitoramento da temperatura do aquário.
2.6 Mudança de projeto
A idéia inicial do projeto seria utilizar em conjunto um conversor
analógico digital (para realizar a conversão do sinal analógico gerado pelo
LM35 para sinal digital), um decodificador binário - BCD (para codificar o sinal
digital em um conjunto apropriado de binários para a representação no display
7 segmentos) e um decodificador BCD – 7 segmentos (para transformar um
binário de 4 bits para um número decimal no display). No entanto, por questões
de complexidade e viabilidade econômica, optamos por utilizar o CI ICL 7107,
que engloba esses 3 componentes e realiza as tarefas, tanto do conversor
analógico digital, como dos decodificadores, conforme será explicado mais
adiante.
2.7 Circuito Integrado ICL7107
Primeiramente, tínhamos optado por combinar o conversor analógico
digital (ADC0804), o decodificador binário BCD e o decodificador BCD/7
segmentos em um mesmo circuito para gerar os dígitos no display 7
segmentos. No entanto, simplificaremos o circuito utilizando o circuito integrado
ICL 7107, que funcionará como um conversor analógico digital direto capaz de
produzir a saída diretamente no display 7 segmentos.
O ICL 7107 tem alta performance, necessita de pouca potência, possui
um conversor analógico digital de 3 ½ dígitos e nele estão incluídos
decodificadores de sete segmentos, drivers de display, uma referência e um
clock.
O ICL 7107 apresenta como algumas de suas principais características
a sua alta precisão em relação à entrada, 1pA de corrente de entrada, baixo
ruído, possui clock interno e uma referência, baixa potência dissipada, dispõe
de 40 pinos e seu funcionamento se processa à temperatura ambiente (de 0ºC
a 70ºC).
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Figura 11 - Interior do ICL7107
Figura 12- Decodificadores de 7 segmentos internos
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2.8 Circuito do Projeto de Monitoramento da Temperatura
Figura 13 – Circuito do Projeto
Componentes do Circuito RC:
Resistores(Ω, 1/3W, 5%): R1=R2=R4=100K, R3=22k, R5=470k, R6=1M,
R7-R12=470, P1=20k, trimpot, 15 voltas.
Capacitores: C1=2200 µF/16V eletrolítico, C2=1000 µF/16V eletrolítico,
C3 =C4=1µF/35V eletrolítico, C5=C6=C10=0,1 µF/160V poliéster,
C7=100pF cerâmica, C8=0,047 µF/250V poliéster, C9=0,22 µF/160V poliéster,
C11=0,01 µF/250V poliéster
Circuito Integrado: A=LM35.
O esquema da fig.13 corresponde ao sistema de monitoramento de
temperatura, ele lê a tensão do CI LM35 e faz as devidas conversões e mostra
nos displays de 7 segmentos o valor da temperatura medida.
O circuito RC seta o CI ICL7107 a constante de tempo que define o
tempo de cada leitura do LM35, com os componentes utilizados se obtém 2
leituras a cada segundo. O trimpot permite o ajuste do valor da leitura nos
dígitos.
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O circuito pode ler valores entre -55 até 150 ºC, utilizamos 5 displays
de 7 segmentos, 3 displays irão representar cada um a centena, dezena e
unidade e um para a casa depois da vírgula e o display restante representa a
unidade medida que é grau Celsius.
2.9 Sistema de Acionamento Automático do Aquecedor
Figura 14 – Esquemático do sistema
O sistema de acionamento automático do aquecedor é formado por um
amplificador operacional que compara 2 tensões a limiar que é o limite
estabelecido e a tensão de saída do sensor de temperatura. Através dessa
comparação verificamos se a temperatura está menor que a desejada, se isso
for verdade o relé é acionado e consequentemente o aquecedor de 1w/127v é
acionado aquecendo a água para que se chegue a temperatura desejada.
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3.0 Resultados Práticos
Conforme proposto em nosso projeto, montamos um circuito em um
proto-board para a aquisição e visualização de valores. Primeiramente
alimentamos o protoboard com tensões de +5V e -5V, que são passadas a
duas entradas do CI ICL 7107 para garantir seu funcionamento. Na entrada do
LM35 coloca-se uma tensão de 5V e sua saída consistirá no sinal analógico
que representa a temperatura atual. Esse sinal é colocado em uma das
entradas do ICL 7107. O circuito integrado, então, gera as saídas nos displays
de 7 segmentos.
Por enquanto falta o acionamento automático do aquecedor quando
forem rompidas determina as temperaturas, mas consiste em um projeto que
julgamos ser viável até o dia da apresentação.
Circuito com os displays e o ICL 7107
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4.0 Referências Bibliográficas
1. Datasheet LM35 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009]
http://www.national.com/ds/LM/LM35.pdf
2. Membres.lycos.fr [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009]
http://membres.lycos.fr/eletrica1/termometro.htm.
3.Peixe
Betta
[Online]
[Acesso
em
29
de
Maio
de
2009]
http://www.petfriends.com.br/enciclopedia/esp_peixes/peixes_enciclopediabetta
.htm.
4. Peixe beta: fácil de cuidar [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009]
http://bbel.uol.com.br/artigo/pet/peixe_beta_facil_de_cuidar.aspx.
5.
Aquário vivo [Online] [Acesso em 29 de Maio de 2009]
http://www.geocities.com/aquariovivo/historia.htm.
6.Aquabetta – Tudo para seu Aquário – Curitiba/PR [Online][Acesso em
29
de
maio
de
2009]
http://www.aquabetta.com.br/index.php?pag=noticia&n_cod=11&n_tipo=Dicas.
7. Datasheet DM7447 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009]
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/82663/ETC/7447.html.
8. Datasheet DM74185 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009]
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/98237/TI/74185.html.
9. Datasheet ICL7107 [Online] [Acesso em 15 de abril de 2009]
http://www.intersil.com/data/fn/fn3082.pdf.
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