Montagem e atua¸ c˜ ao dos componentes do espectrˆ ometro

Neste t´opico, para um completo entendimento do escopo do projeto, abordaremos em linhas gerais sobre o a atua¸c˜ao dos elementos que comp˜oe o espectrˆometro projetado por (DENIS, 2007).

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Figura 14: Arquitetura geral do projeto

Fazendo uso da figura 14, a luz monocrom´atica que emerge do monocromador ´e en- trecortada por um modulador mecˆanico, o chopper, com uma freq¨uˆencia que pode ser variada segundo a necessidade. Esta freq¨uˆencia deve ser tal ordem a permitir o completo relaxamento t´ermico do sistema conforme explica¸c˜ao encontrada no cap´ıtulo 4. O uso de luz modulada ´e de suma importˆancia, pois tˆem como objetivo eliminar o ru´ıdo externo, aumentando a seletividade do sistema de detec¸c˜ao.

A posi¸c˜ao angular da rede de difra¸c˜ao est´a relacionada com o comprimento de onda selecionado. Esta posi¸c˜ao ´e determinada pelo motor de passo e controlada pelo software supervisor, assim de maneira simultˆanea e ao final de cada passo de avan¸co da mecˆanica, a informa¸c˜ao fornecida pelos elementos sensores pode ser adquiridas e processada num PC. Por sua vez, o lock-in recebe o sinal ac´ustico do microfone da c´elula fotoac´ustica, possuindo a fun¸c˜ao de amplificar e retificar apenas os componentes deste sinal que possuem a mesma freq¨uˆencia de modula¸c˜ao do sinal de referˆencia, ou seja, da mesma freq¨uˆencia do sinal gerado pelo chopper. Em seguida, o sinal ´e enviado para um microcomputador onde ´e processado e analisado.

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5.2.1.1 Montagem ´otica

A figura 15 ilustra como os elementos ´oticos est˜ao dispostos sobre a bancada.

Figura 15: Montagem ´optica. Fonte: (DENIS, 2007)

Os seguintes componentes s˜ao utilizados: • Lˆampada: 12V / 60W

• Rede de difra¸c˜ao: 590 tra¸cos/mm 50x50 mm2 (delta = 1.7 micrometros) • Lente n1: f = 175 mm phi= 110 mm

• Lente n2: f = 200 mm phi = 120 mm • Lente n3: f = 75 mm phi = 80 mm

5.2.1.2 Sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao

A figura 16 ilustra a montagem do sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao.

A calibra¸c˜ao do comprimento de onda deste espectrˆometro ´e feito obedecendo a geome- tria dos componentes conforme projeto descrito por (DENIS, 2007). A f´ormula que fornece

a rela¸c˜ao entre o numero de passos realizado pelo motor de passo e o comprimento de onda ´e dado pela equa¸c˜ao expressa na figura 17:

Conforme ilustra a figura 16, a rota¸c˜ao ´e obtida atrav´es de um bra¸co acoplado ao eixo de rota¸c˜ao vertical da rede. O bra¸co ´e articulado atrav´es do deslocamento de uma correia de impressora pelo motor de passo.

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Figura 16: Montagem do sistema de rota¸c˜ao da rede de difra¸c˜ao. Fonte (DENIS, 2007)

Figura 17: Rela¸c˜ao entre passos do motor de passo e comprimento de onda

5.2.1.3 Instala¸c˜ao dos fins de curso

Uma pequena altera¸c˜ao no projeto original foi necess´aria no circuito de fim de curso, a fim de economizar um pino de chip USB. A figura 18 ilustra o esquema original, enquanto que a figura 19 exibe as altera¸c˜oes efetuadas.

Devido a essas altera¸c˜oes, a tarefa de verificar qual dos extremos foi alcan¸cado, passou a ser do software. Simplesmente basta uma efetiva verifica¸c˜ao da dire¸c˜ao de deslocamento do motor.

5.2.1.4 Organiza¸c˜ao da eletrˆonica

Para realizar os espectros fotoac´usticos, precisamos dos seguintes elementos:

• Controle do comprimento de onda do monocromador atrav´es de um motor de passo.

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Figura 18: Circuito de fim de curso original. Fonte (DENIS, 2007)

Figura 19: Modifica¸c˜ao do circuito de fim de curso

• Pr´e-amplifica¸c˜ao do sinal fotoac´ustico,

• Interface com um computador de aquisi¸c˜ao.

Como a organiza¸c˜ao desses elementos j´a fora descrita na arquitetura do sistema res- tringiremos neste t´opico a descri¸c˜ao dos componentes eletrˆonicos. A figura 20 ilustra o diagrama eletrˆonico.

Como verificado na figura 13, o circuito do chip USB foi confecionando para suportar o modo bus powered. Seguindo as especifica¸c˜oes do protocolo USB 2.0 neste modo ´e poss´ıvel fornecer ao barramento uma corrente m´axima de 100mA com uma tens˜ao 5V. Por esta raz˜ao, constitui de fundamental importˆancia a verifica¸c˜ao das caracter´ısticas t´ecnicas de consumo de cada CI componente do prot´otipo geral alimentado pelo barramento USB

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Figura 20: Diagrama dos componentes eletrˆonicos

afim de atender a especifica¸c˜ao. No chip FT232R faz-se necess´ario acessar a EEPROM e informar a corrente a ser fornecida. Neste caso, utilizando o programa Mprog fornecido pelo fabricante foi configurado o valor de 100mA.

Buffer SN74HCT245: o buffer ´e utilizado de modo isolar o chip USB do circuito garantindo prote¸c˜ao contra eventuais varia¸c˜oes de corrente, principalmente de problemas decorrentes na parte do controle de potˆencia do motor de passo. Baixo consumo de energia possuindo Icc (corrente de consumo) de apenas 80 µA por pino.

Motor de passo: O projeto atual utiliza motor de passo, pois, segundo Denis (2007) propicia maior precis˜ao no controle do posicionamento e maior facilidade de utiliza¸c˜ao, haja vista que elimina a necessidade de um circuito decodificador de posi¸c˜ao, anterior- mente necess´ario quando utilizava-se um motor DC. Ademais, permite total adapta¸c˜ao a l´ogica digital.

O motor de passo em si suporta dois modos de opera¸c˜ao: passo completo (full step) e meio passo (half step). De acordo com a especifica¸c˜ao desse motor, o deslocamento angular ´e de 7,5 graus em cada passo para o modo full step e de 3,75 graus no modo half step; O motor de passo possui trˆes estados b´asicos de funcionamento:

• Desligado: N˜ao h´a alimenta¸c˜ao suprindo o motor. Nesse caso n˜ao existe consumo de energia, e todas as bobinas est˜ao desligadas. ´E cortada a alimenta¸c˜ao das bobinas.

• Parado: Pelo menos uma das bobinas fica energizada e o motor permanece est´atico num determinado sentido.

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• Em movimento: As bobinas s˜ao energizadas em intervalos de tempos determina- dos, impulsionando o motor a girar numa dire¸c˜ao.

Circuito de controle do motor de passo: Compreende as CIs L297 e L298. O controle l´ogico do motor de passo ´e definido pelo CI L297. ´E o CI respons´avel por gerar a seq¨uˆencia correta de pulsos conforme o modo de opera¸c˜ao desejado (meio passo ou passo completo). Este CI permite 3 modos de opera¸c˜ao como ´e ilustrado na figura 21. Essa figura permite acompanhar a seq¨uˆencia l´ogica em cada passo. As colunas 1a, 1b, 2a, 2b representam as entradas da bobina do motor de passo, enquanto que cada linha representa o passo seguinte para uma determinada dire¸c˜ao. Cada c´elula marcada com 1 significa que foi introduzido o nivel l´ogico 1 na entrada da bobina corresponde.

Figura 21: Sequˆencia l´ogica gerado pelo L297

Neste projeto, afim de se obter uma melhor resolu¸c˜ao e obedecendo a especifica¸c˜ao estabelecido por (DENIS, 2007) este CI foi configurado no modo Normal drive, que define o modo de opera¸c˜ao meio passo, entretanto, oferecendo um maior torque, j´a que aciona duas bobinas simultaneamente para cada passo realizado. Portanto, conforme a resolu¸c˜ao do passo, para o motor em quest˜ao, faz-se necess´arios 96 passos para uma dar uma volta completa.

A utiliza¸c˜ao desse CI proporcionou a redu¸c˜ao do uso dos pinos de I/O do chip USB pertinentes ao controle do motor, ao tempo que propiciou praticidade ao desenvolvimento, haja vista que, a n˜ao necessidade de escrita da l´ogica de controle em software. As sa´ıdas deste chip fornecem apenas 10mA, sendo, portanto, necess´ario para elas, um circuito amplificador, ou melhor, um driver de potˆencia para interfacear com um motor de passo bipolar.

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Esse ´e o papel da CI L298 quem a tˆem a fun¸c˜ao de fornecer a corrente necess´aria ao funcionamento do motor de acordo com suas especifica¸c˜oes. O motor em quest˜ao ´e pode ser alimentado com tens˜ao de at´e 24V e com uma corrente m´axima de 2A. O CI L298 tamb´em pode ser utilizado para limitar a corrente das bobinas quando essa ultrapassa um valor definido. Como o motor foi alimentado por 12V n˜ao foi utilizada essa op¸c˜ao.

Conversor anal´ogico digital: foi utilizado neste trabalho o CI TLC1542 que possui resolu¸c˜ao m´axima de 10 bits e 11 canais de aquisi¸c˜ao. Ele possui 6 modos de opera¸c˜ao que s˜ao determinados pela taxa de clock e a opera¸c˜ao do pino CS, ou chip select. Uma transi¸c˜ao alto para baixo redefine os contadores e controles internos e habilita os pinos Data Out (sa´ıda de dados), Address (endere¸co do canal), e o clock. A figura 22 ilustra o diagrama de tempo de funcionamento deste ADC. Para cada subida ou descida nos n´ıveis l´ogicos dos pinos citados ´e necess´ario a altera¸c˜ao nos bits correspondentes ao byte escrito no buffer do chip USB. De acordo com a figura, para que uma aquisi¸c˜ao seja completada ´e necess´ario que o intervalo de tempo para os 10 pulsos de clock seja de no m´ınimo 21µs. O modo de opera¸c˜ao foi o fast mode 1 cujo detalhes de opera¸c˜ao podem ser encontrados em (TEXAS, 2008).

Figura 22: Diagrama de tempo da utiliza¸c˜ao do AD. Fonte: (TEXAS, 2008)

Considera¸c˜oes: O uso dos pinos de entrada e sa´ıdas do chip USB foi feito de modo a maximizar a sua utiliza¸c˜ao, ou seja, compartilhando sempre que poss´ıvel os pinos. A tabela exposta na figura 23 ilustra a distribui¸c˜ao da conex˜ao entre os pinos do chips USB, AD e o L297.

Nas fotografias seguintes teremos a ilustra¸c˜ao da montagem eletrˆonica no protoboard e da disposi¸c˜ao dos componentes do espectrˆomentro na bancada.

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