Esse cap´ıtulo tem por objetivo a descri¸c˜ao do sistema t´ermico estudado, bem como os passos seguidos no desenvolvimento da plataforma f´ısica de testes.
A plataforma desenvolvida pode ser subdividida em trˆes segmentos: o m´odulo t´ermico, o m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface e o m´odulo de processamento. O m´odulo t´ermico ´e o processo t´ermico a ser controlado, o o m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface ´e o sistema respons´avel pela interface entre o m´odulo t´ermico e o m´odulo de processamento, sendo este ´ultimo o respons´avel pelos c´alculos, ou melhor, por dispor dos algoritmos de estima¸c˜ao e controle. A figura 14 ilustra o esquema proposto.
Figura 14: M´odulos da Plataforma de Testes
3.1
M´odulo T´ermico
Este m´odulo descreve o processo t´ermico em si, ou seja, da planta que se quer contro- lar. A planta ´e composta por uma c´elula termoel´etrica, tamb´em conhecida como c´elula peltier (CAMPOS et al., 2005), presa a uma barra met´alica chata. Numa das extremidades da c´elula, um suporte de madeira foi disposto de modo a isolar termicamente o sistema da sua superf´ıcie de apoio. J´a na extremidade da barra met´alica foi acoplado um sensor de temperatura Lm35 (SEMICONDUTOR, 2000), respons´avel pelo fornecimento das medi- das de temperatura ao m´odulo eletrˆonicoo m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface. A referida montagem pode ser verificada na figura 15.
Figura 15: Montagem do M´odulo T´ermico
A c´elula peltier funciona segundo o efeito Peltier (MADRID, 2003) (THERMOELEC- TRICS, 2000). Essa c´elula ´e, na verdade, um dispositivo termoel´etrico que se caracteriza pela presen¸ca de uma diferen¸ca de temperatura entre suas duas faces semicondutoras quando submetido a uma corrente el´etrica. Mais precisamente, quando uma corrente el´etrica flui sobre um material semicondutor, com diferentes densidades de el´etrons livres, produz-se um fluxo de calor. A c´elula peltier ´e ent˜ao o dispositivo pr´atico que se aproveita dessa propriedade (MADRID, 2003).
N˜ao ´e a inten¸c˜ao desse trabalho discutir acerca da f´ısica envolvida por tr´as das c´elulas termoel´etricas, mas sim, a sua modelagem atrav´es de t´ecnicas de identifica¸c˜ao de sistemas. A barra met´alica presa `a c´elula peltier aumenta o atraso no sistema, tornando-o peculiar, de dif´ıcil modelagem pela f´ısica do processo (caixa-branca), al´em de adicionar pontos fr´ageis que podem modificar os parˆametros do sistema a depender do seu manuseio, justificando a aplica¸c˜ao de um controlador adaptativo para o controle da temperatura na extremidade da barra.
3.2
M´odulo de aquisi¸c˜ao e interface
O m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface ´e respons´avel pelo gerenciamento da comunica¸c˜ao entre o m´odulo t´ermico e o m´odulo de processamento. Esse m´odulo ´e composto por um microcontrolador Atmega8 (ATMEL, 2007) da Atmel e um conversor Max232 (INSTRU- MENTS, 2004), respons´avel pela adequa¸c˜ao dos sinais gerados pelo m´odulo USART do microcontrolador ao padr˜ao de comunica¸c˜ao serial RS-232, viabilizando a comunica¸c˜ao com o m´odulo de processamento (microcomputador). A figura 16 mostra a montagem do
circuito Microcontrolador-Max232 na matriz de contatos:
Figura 16: Montagem Microcontrolador-Max232
O conversor A/D (Anal´ogico-Digital) do Atmega8 foi utilizado para converter as me- didas anal´ogicas oriundas do sensor de temperatura Lm35, enviar essas medidas para o m´odulo de processamento, receber do modulo de processamento a a¸c˜ao de controle ade- quada e atuar na c´elula peltier atrav´es do m´odulo PWM do respectivo microcontrolador. O m´odulo PWM (Pulse Width Modulation) ´e o respons´avel pelo efetivo acionamento da c´elula peltier. PWM significa modula¸c˜ao por largura de pulso, esse tipo de aciona- mento envolve a modula¸c˜ao de sua raz˜ao c´ıclica (duty cycle) para transportar qualquer informa¸c˜ao sobre um canal de comunica¸c˜ao ou controlar o valor da alimenta¸c˜ao entregue a carga. A modula¸c˜ao PWM ´e tamb´em utilizada para variar o valor da transferˆencia de potˆencia entregue a uma carga sem as perdas ocorridas normalmente devido `a queda de tens˜ao por recursos resistivos e essa ´e a finalidade do seu emprego nesse projeto.
3.3
M´odulo de Processamento
Este m´odulo ´e respons´avel pela aquisi¸c˜ao dos dados j´a digitalizados, oriundos do m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface, para p processamento desses dados e envio da a¸c˜ao de controle adequada de volta ao m´odulo de aquisi¸c˜ao e interface. Consiste basicamente num microcomputador do tipo PC (Personal Computer ) com 256MB de mem´oria RAM e uma processador de 2Ghz, dispon´ıvel no Laborat´orio de Hardware da Universidade Estadual de Feira de Santana - UEFS. O software respons´avel pela efetiva aquisi¸c˜ao e processamento dos dados foi o Matlab, bastante utilizado em sistemas controlados por computador.
3.4
Integra¸c˜ao dos M´odulos
Para a alimenta¸c˜ao, tanto do sistema t´ermico como do sistema eletrˆonico, foi utilizada uma fonte de tens˜ao Minipa (MINIPA, 2007) com duas sa´ıdas independentes, cada uma po- dendo fornecer uma corrente m´axima de 5 amperes. Como a c´elula termoel´etrica utilizada possui uma potˆencia nominal de 90 watts, para uma tens˜ao m´axima de 15 volts e uma corrente de 6 amperes, decidiu-se limitar convenientemente sua tens˜ao de alimenta¸c˜ao em 5 volts o que demandaria algo pr´oximo a 0.9 amperes da respectiva sa´ıda da fonte dedicada `a alimenta¸c˜ao da c´elula.
O m´odulo PWM do microcontrolador pode fornecer no m´aximo 20mA de corrente e 5 volts de tens˜ao, sendo, portanto, necess´ario um circuito acoplador transistorizado, ou melhor, um driver de potˆencia. O transistor utilizado foi o Tip122, cujas caracter´ısticas t´ecnicas (FAIRCHILD, 2001) atendem `as especifica¸c˜oes supracitadas. A figura 17 mostra o circuito de acoplamento entre a c´elula peltier e o microcontrolador.
Figura 17: Circuito de acoplamento transistorizado - Driver
O resistor R da figura 17 ´e de 330 Ohms, sendo calculado de acordo com a equa¸c˜ao de malha obtida da mesma figura:
R = Vm− VBE Im
(3.1) Onde Vm = 5v, VBE = 0.7v e Im = 20 × 10−3mA, de forma que o transistor (Tip122)
v´a para a satura¸c˜ao ou corte a depender do valor de Vm.
Outro circuito auxiliar importante ´e o circuito de configura¸c˜ao do sensor Lm35. O Lm35 garante uma varia¸c˜ao de 10mV/oC (INSTRUMENTS, 2004). Como a configura¸c˜ao
rela¸c˜ao da tens˜ao lida nos terminais do sensor com a temperatura: x 1024 = y 1.5 = T − 2 148 (3.2)
Onde x ´e o bit correspondente ao valor de tens˜ao lido para uma resolu¸c˜ao de 10 bits do conversor A/D, y ´e o valor de tens˜ao correspondente na escala de varia¸c˜ao de 0 a 1,5V dados os 10mV/oC de varia¸c˜ao do sensor, e T ´e o valor de temperatura correspondente.
A partir da equa¸c˜ao anterior obt´em-se a equa¸c˜ao da temperatura, ou seja, em fun¸c˜ao de T:
ToC = 0.1445x + 2 (3.3)
A express˜ao da equa¸c˜ao anterior foi ent˜ao escrita diretamente no microcontrolador, sendo utilizada para converter o valor lido em valores de temperatura, para posterior envio para o m´odulo de processamento.