Tendo em mãos todos os materiais, foi iniciada a montagem do projeto. Para adquirir os dados e mostra-los de forma clara foi necessário pesquisar de que forma os sensores e módulos funcionam.
3.2.1 Aquisição de dados de corrente
Para a aquisição dos dados de corrente foram utilizados três sensores TCs SCT-013 50A, ou seja, um por fase. Sua capacidade máxima de leitura é de 50 𝐴 de valor eficaz em corrente alternada, sendo que o sinal de saída vai de 0 𝑉𝑝𝑝 a 1 𝑉𝑝𝑝 também alternados.
O Arduino não tem capacidade de ler sinais negativos em suas portas analógicas, somente sinais positivos de 0 𝑉 a 5 𝑉, o que impossibilitou a simples conexão do SCT-013 na porta analógica, pois este sensor entrega um sinal de tensão alternado que varia entre −0,5 𝑉 e 0,5 𝑉. Foi necessário projetar um circuito de offset, ou seja, um amplificador para elevar o valor de tensão do sinal do sensor para níveis positivos. Na figura 13 pode-se observar de que forma o circuito de aquisição dos dados de corrente foi projetado, necessitando apenas de dois resistores de 10 𝑘Ω.
Figura 13 – Circuito de offset para a aquisição dos dados de corrente
Fonte: Autor
Isso possibilitou que o sinal de saída do TC tivesse um offset de 2,5 𝑉, ou seja, passou a oscilar entre 2 𝑉 e 3 𝑉, possibilitando a correta leitura do sinal pelo Arduino.
Também foi necessário inserir ao circuito três capacitores de 1𝜇𝐹 em paralelo aos sensores, ou seja, um por sensor. Este capacitor desempenha a função de filtrar ruídos no sinal de leitura dos sensores.
3.2.2 Aquisição de dados de tensão
Para adquirir os dados de tensão das fases foram utilizados três sensores de tensão CA ZMPT101B, ou seja, um por fase. Em cada um dos bornes de entrada de sinal foi conectada uma fase da instalação e o neutro, que é comum aos três sensores. Nos pinos de saída foram conectados os cabos de alimentação do sensor (5 𝑉 contínuos e 𝐺𝑁𝐷) e o cabo que leva o sinal de saída ao Arduino.
Para que o Arduino possa ter o máximo de precisão nas medições de tensão AC, foi necessário fazer o ajuste da forma de onda na saída do sensor a partir de um osciloscópio. O sensor pode vir de fábrica com parte da forma de onda cortada no semiciclo positivo (figura 14), tendendo a formar uma onda quadrada e isto vai comprometer a leitura feita pelo pino analógico do Arduino. Com o uso de um osciloscópio foi possível ver a forma da onda de saída e através do trimpot que se encontra no sensor e fazer o ajuste para que ela ficasse o mais
próximo possível de uma senoide (figura 15). Nas figuras 14 e 15 é possível observar o sinal de saída do sensor em amarelo e a curva de tensão de um varivolt, utilizado com referência, em azul. O sinal de saída foi ajustado para que entregasse 2,4 𝑉𝑝𝑝, máximo valor onde não há distorção do sinal e que o Arduino consegue ler.
Figura 14 – Sensor de tensão desajustado
Fonte: Autor
Figura 15 – Sensor de tensão ajustado
Fonte: Autor
3.2.3 Endereçamento dos LCDs 20x4
Para um melhor entendimento do funcionamento do módulo I2C empregado junto aos LCDs 20x4, foi necessário entender suas funções e particularidades. Na figura 16 é possível observar uma explicação dos componentes de conexão e ajuste do módulo. O jumper do backlight é responsável por permanecer com o backlight do display aceso quando conectado ao módulo ou apaga-lo quando desconectado. Os pinos para conexão junto ao display devem ser soldados na parte de trás do display para garantir a comunicação e interpretação dos sinais. O trimpot para ajuste do backlight é responsável por regular o contraste dos caracteres do display, tornando-os mais amostra ou menos. Os pinos para conexão junto ao Arduino são: 𝐺𝑁𝐷, 𝑉𝐶𝐶 (5 𝑉), 𝑆𝐷𝐴 (pino de dados da comunicação serial) e 𝑆𝐶𝐿 (pino de clock da comunicação serial).
Figura 16 – Módulo I2C
Fonte: Site Usinainfo (STRAUB, 2018)
Neste projeto foram utilizados dois LCDs 20x4, cada um com um módulo I2C. Cada módulo precisou ser conectado nas portas seriais do Arduino Nano que são a A4 e A5, conforme a figura 10. Cada módulo I2C possui um endereço para comunicação serial, que por padrão de fábrica sempre é 0x27, este endereço precisa ser passado como parâmetro no código do programa. Na figura 16 pode-se observar que existe um seletor para código I2C, foi necessário modificar o endereço de um dos displays neste seletor para 0x25 respeitando o quadro 1. Para modificar o endereço foi necessário soldar apenas um jumper entre os conectores da placa.
Assim se tornou possível utilizar as mesmas portas A4 e A5 para os dois displays passando informações diferentes em simultâneo.
Quadro 1 – Quadro de endereçamento serial de módulo I2C
Endereço A0 A1 A2
0X20 0 0 0
0X21 1 0 0
0X22 0 1 0
0X23 1 1 0
0X24 0 0 1
0X25 1 0 1
0X26 0 1 1
0X27 1 1 1
Fonte: Site Usinainfo (STRAUB, 2018)
3.2.4 Alimentação do circuito
Todos os módulos e sensores do analisador necessitam ser alimentados com tensão de 5 𝑉 contínuos, menos os TCs SCT013 que são componentes passivos, mas mesmo assim precisam do sinal de 5 𝑉 contínuos para o offset do sinal, como explicado na subseção 3.2.1.
Como não dispunha de uma fonte de tensão de CA-CC de 5 𝑉 contínuos de saída, somente de uma fonte de 12 𝑉 contínuos de saída, fez-se necessária a utilização do módulo conversor de tensão CC-CC Step-Down LM2596, que recebe a tensão de 12 𝑉 contínuos da fonte e a rebaixa para 5 𝑉 contínuos, tornando possível a alimentação dos módulos e sensores.
3.2.5 Circuito do módulo cartão SD
Para alimentar o módulo foi utilizada a tensão contínua de 5 𝑉 e a malha de 𝐺𝑁𝐷 do circuito. Para os pinos de sinal, foi necessário um divisor de tensão, já que o módulo trabalha com níveis de sinal de 3,3 𝑉. Foi utilizado o divisor de tensão apenas nos pinos SCK, MOSI e CS. O pino MISO foi ligado diretamente ao Arduino. Para os divisores de tensão foram utilizados resistores de 220 Ω e 330 Ω. O circuito utilizado pode ser visualizado na figura 17.
Figura 17 – Circuito projetado para o módulo cartão SD
Fonte: Autor