Rafael Luiz da Silva

MEDIDOR DE ENERGIA ELETRICA DE BAIXO CUSTO COM INTERFACE SERIAL COMPAT IVEL COM A NBR 14522

Trabalho de Concluso de Curso apresena tado ao Curso Superior de Tecnologia em Sistemas Digitais do Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina ca o como requisito parcial para obteno do ca t tulo de Tecnlogo em Sistemas Digitais o

Prof. Orientador: Roberto Alexandre Dias

FLORIANOPOLIS, 2007

i Rafael Luiz da Silva

MEDIDOR DE ENERGIA ELETRICA DE BAIXO CUSTO COM INTERFACE SERIAL COMPAT IVEL COM A NBR 14522

Este Trabalho de Concluso de Curso foi julgado e aprovado para a obteno do grau de a ca Tecnlogo em Sistemas Digitais, do Curso Superior de Tecnologia em o Sistemas Digitais do Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina ca o

Florianpolis, 13 de Abril de 2007 o

BANCA EXAMINADORA

Prof. Roberto Alexandre Dias, Dr. Centro Federal de Educao Tecnolgica de Santa Catarina ca o Orientador

Prof. Marco Valrio M. Villaa, Dr. e c Centro Federal de Educao Tecnolgica ca o de Santa Catarina

Prof. Clvis Antnio Petry, Dr o o Centro Federal de Educao Tecnolgica ca o de Santa Catarina

Dedico este trabalho `s pessoas mais impora tantes da minha vida Aline e Gabriel.

AGRADECIMENTOSAgradeo em primeiro lugar a Deus pelo dom da vida. c A minha me por todo esforo, dedicao e conana (a nossa aposta deu certo). a c ca c Aos companheiros de caminhada, em especial Ingrid, Ernani e Adriano. Aos amigos do NERsD, Igor por todo a apoio e pacincia com o LATEX e ao Reginaldo e companheiro de todas as horas. Ao professor Roberto A. Dias pela orientao e acompanhamento sem restries durante ca co toda a realizao do trabalho. ca Ao Professor Paulo R. Weigmann pelo apoio nas medidas, durante a realizao do ca trabalho. Aos professores e funcionrios do Departamento Acadmico de Eletrnica. a e o

RESUMOO presente trabalho visa a implementao de um medidor eletrnico de energia elca o e trica, monofsico para aplicao residencial, com interface de comunicao compat com a ca ca vel a norma brasileira NBR14522. O estudo e a elaborao do prottipo esto baseados no ca o a microcontrolador MSP430 da Texas Instruments, que possui em sua fam de microconlia troladores um dispositivo especializado para medio de energia eltrica. Neste trabalho ca e procura-se abordar de maneira geral os microcontroladores, em especial o MSP430, foco do estudo. Aborda-se tambm o tema medio de energia eltrica com nfase no prine ca e e c pio de funcionamento do medidor eletromecnico, passando para a medio eletrnica a ca o e os transdutores para medio de tenso e corrente que podem ser utilizados. Tem-se ca a tambm uma viso geral da NBR14522 que regulamenta o intercmbio de informaes e a a co para sistemas de medio de energia eltrica e os passos para construo do prottipo do ca e ca o sistema de medio. Apresenta-se a validao do sistema atravs dos dados coletados em ca ca e testes de laboratrio e as concluses e sugestes para implementaes futuras do medidor o o o co eletrnico. o PALAVRAS-CHAVE: Microcontroladores. Medio de Energia Eltrica. MSP430. ca e Processamento Digital de Sinais.

ABSTRACTThe goal of this work is a single-phase electronic energy meter for residential purposes, with serial communication interface compatible with NBR14522. The study and implementation are based in the MSP430 of Texas Instruments microcontroller, a device specialized for measurement of electric energy. In this work it is looked to approach the microcontrollers in a generalized manner, in special the MSP430, focus of the study. The subject is also approached measurement of electric energy with emphasis in the beginning of functioning of the electromechanical measurer, passing to the electronic measurement and the transducers for measurement of voltage and chain that can be used. A general vision of the NBR14522 is also had that regulates the interchange of information for systems of measurement of electric energy and the steps for construction of the archetype of the measurement system. It is presented validation of the system through the data collected in laboratory tests and the conclusions and future implementations for the electronic measurer. KEY-WORDS: Microcontrollers. Electronic Energy Measurement. MSP430. Digital Signal Processing.

LISTA DE FIGURAS

FIGURA 2.1 Sistema aberto baseado em um microprocessador . . . . . . . . . . . 19 FIGURA 2.2 Modelo de microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 FIGURA 3.1 Divisor resistivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 FIGURA 3.2 Transformador de corrente bsico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 a FIGURA 3.3 Determinao da corrente atravs de resistor shunt. . . . . . . . . . 35 ca e FIGURA 3.4 Caracter sticas intr nsecas do resistor shunt. FIGURA 3.5 Bobina de Rogowski. . . . . . . . . . . . . . 36

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

FIGURA 3.6 Representao de um sensor de efeito Hall. . . . . . . . . . . . . . . 38 ca FIGURA 3.7 Esquemtico do medidor tipo induo. . . . . . . . . . . . . . . . . 39 a ca FIGURA 4.1 Arquitetura simplicada do MSP430. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 FIGURA 5.1 Tela principal do IAR Embedded Workbench. . . . . . . . . . . . . . 61 FIGURA 5.2 Seleo da linguagem C para o projeto. . . . . . . . . . . . . . . . . 61 ca FIGURA 5.3 Tela principal da IDE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 FIGURA 5.4 Escolha do modo simulador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 FIGURA 5.5 Tela de simulao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 ca FIGURA 5.6 Barra de controles para depurao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 ca FIGURA 6.1 Diversos protocolos de informao poss ca veis no sistema de medio ca de energia eltrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 e

vii FIGURA 6.2 Formato t pico de comunicao serial ass ca ncrona. . . . . . . . . . . . 73 FIGURA 7.1 Arquitetura bsica do medidor de energia. . . . . . . . . . . . . . . 78 a FIGURA 7.2 Diagrama de blocos do medidor de energia. . . . . . . . . . . . . . . 78 FIGURA 7.3 Circuito de entrada da rede 220V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 FIGURA 7.4 Circuito do sensor de corrente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 FIGURA 7.5 Circuito da interface serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 FIGURA 7.6 Fluxograma do programa principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 FIGURA 7.7 Fluxograma dos conversores A/D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 FIGURA 7.8 Fluxograma do modulo ESP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 FIGURA 7.9 Planilha de calibrao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 ca FIGURA 7.10 Fluxogramas de inicializao e interrupo serial. . . . . . . . . . . . 88 ca ca FIGURA 7.11 Registrador de energia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 FIGURA 8.1 Curva de erro relativo a energia medida para carga resistiva. . . . . 92 FIGURA 8.2 Curva de erro relativo a energia medida para carga resistiva/ indutiva. 93 FIGURA 8.3 Sinal da entrada de tenso do conversor A/D. . . . . . . . . . . . . 94 a FIGURA 8.4 Sinal medido com ltro para 4,8kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 FIGURA 8.5 Diminuio da amplitude do sinal com ltro para 1,5kHz. . . . . . . 95 ca FIGURA D.1 Planilha de calibrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 ca FIGURA E.1 Prottipo do medidor eletrnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 o o

LISTA DE TABELAS

TABELA 3.1 Classe de exatido dos TPs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 a TABELA 3.2 Classe de exatido dos TCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 a TABELA 4.1 Mapa de memria. o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

TABELA 4.2 Instrues de movimentao e manipulao de dados. . . . . . . . . 49 co ca ca TABELA 4.3 Instrues de controle da CPU. co . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

TABELA 4.4 Instrues de teste e desvio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 co TABELA 4.5 Instrues aritmticas e lgicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 co e o TABELA 4.6 Modos de endereamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 c TABELA 4.7 Modos de baixo consumo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 TABELA 7.1 Comparativo dos dispositivos para medio de energia. . . . . . . . 77 ca TABELA 7.2 Protocolo de comunicao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 ca TABELA 8.1 Testes com carga resistiva de 200 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 TABELA 8.2 Testes com carga resistivaindutiva de 200 e 87 mH. . . . . . . . 92 TABELA 8.3 Custos de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

SUMARIO

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vi

Lista de Tabelas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . viii 1 22.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3

INTRODUCAO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MICROCONTROLADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14 17

Controlador e microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Diferena entre microcontrolador e microprocessador . . . . . . . . . 18 c Aplicaes dos microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 co O mercado dos microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Escolha de microcontroladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Recursos comuns a todos os microcontroladores . . . . . . . . . . . . 23 Arquitetura bsica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 a Unidade central de processamento - CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Memria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 o Circuito de relgio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 o Recursos especiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Temporizadores ou Timers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Co de guarda ou Watchdog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 a Proteo contra falha de alimentao ou Brownout . . . . . . . . . . . . . 27 ca ca

x 2.7.4 2.7.5 2.7.6 2.7.7 2.7.8 2.7.9 2.7.10 2.8 Modo de espera e/ou baixo consumo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Conversor A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Conversor D/A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Comparador analgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 o Modulador de largura de pulsos (PWM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Portas de E/S digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Portas de comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 ca Ferramentas de desenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

33.1 3.1.1 3.2 3.2.1

MEDICAO DE ENERGIA ELETRICA . . . . . . . . . . . . .

30

Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Caracter sticas de um elemento sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Sensores para medio de tenso e corrente . . . . . . . . . . . . . . . 31 ca a Sensores de tenso a 3.2.1.1 3.2.1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Transformadores de potencial . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Divisor resistivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.2.2

Sensores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.2.4 Transformadores de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Resistor shunt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Bobina de Rogowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Sensor de corrente Hall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5

Mtodos de medio de energia eltrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 e ca e Medidor tipo induo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 ca Medidor eletrnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 o Fator de potncia x fator de deslocamento . . . . . . . . . . . . . . . . 42 e Processamento digital de sinais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

xi 3.6 Preciso na medio de energia eltrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 a ca e

44.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.6.1 4.6.2 4.6.3 4.6.4 4.6.5 4.6.6 4.6.7 4.6.8

MICROCONTROLADOR MSP430 . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Viso geral da CPU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 a Organizao da memria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 ca o Set de instrues assembly e modos de endereamento . . . . . . . . 49 co c Modos de operao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ca Interrupes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 co Perifricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 e Reset e Watchdog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Portas de E/S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Timer A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Timer B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Interface serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Comparador analgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 o Conversor A/D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Outros perifricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 e

5

AMBIENTE DE DESENVOLVIMENTO IAR EMBEDDED WORKBENCH PARA MSP430 . . . . . . . . . . . . . .60

5.1 5.2 5.3

Criando um projeto em linguagem C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Compilando e montando um projeto em C . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Simulando a execuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 ca

6

NBR14522 - INTERCAMBIO DE INFORMACOES PARA SISTEMAS DE MEDICAO DE ENERGIA ELETRICA .

67

6.1 6.2

Comunicao convencional medidor/leitor . . . . . . . . . . . . . . . . 68 ca Comunicao direcional medidor/leitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 ca

xii 6.3 6.4 6.5 6.6 6.6.1 6.7 Comunicao remota s ca ncrona com registradores digitais . . . . . . . 69 Comunicao remota ass ca ncrona com registradores digitais . . . . . . 70 Comunicao leitora direcional computador . . . . . . . . . . . . . . . 70 ca Comunicao serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 ca Transmisso ass a ncrona versus transmisso s a ncrona . . . . . . . . . . . . . 72 Sa serial de usurio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 da a

7

MEDIDOR DE ENERGIA COM INTERFACE SERIAL NBR14522 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.3 7.4 7.5 7.5.1 7.6

Outros dispositivos para medio de energia eltrica . . . . . . . . . . 75 ca e Arquitetura de hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Condicionamento do sinal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Sensor de corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 MSP430FE427 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Interface serial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Fonte de alimentao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ca Caracter sticas de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Arquitetura de software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Calibrao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 ca Comunicao serial compat ca vel com a norma NBR 14522 . . . . . . . 85 Protocolo serial NBR14522 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Limitaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 co

88.1 8.2 8.3

RESULTADOS EXPERIMENTAIS . . . . . . . . . . . . . . . .

90

Resultados experimentais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Interferncias externas ao sinal de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . 93 e Custos de projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

xiii

99.1 9.2 9.3

CONCLUSOES FINAIS E PERSPECTIVAS FUTURAS .Diculdades encontradas e solues apresentadas co

96

. . . . . . . . . . . 96

Concluses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 o Propostas futuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 ANEXOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Anexo A Codigo do programa principal . . . . . . . . . . . 103 Anexo B Codigo de inicializa ao do conversor AD . . 105 c Anexo C Codigo de inicializa ao do modulo ESP . . . . 107 c Anexo D Planilha de Calibra ao . . . . . . . . . . . . . . . . 109 c Anexo E Prototipo do medidor eletronico . . . . . . . . 110

1 INTRODUCAO A energia eltrica originada a partir da energia mecnica eletromagntica ou qu e e a e mica, proveniente de fontes hidrulica, trmica, solar, nuclear ou elica, entre outras. Sua a e o disponibilidade instantnea, sem odor ou sujeira e em muitos casos, vencendo imensas a distncias entre os pontos de gerao e de uso, tornou-a essencial para o desenvolvimento a ca industrial dos ultimos sculos. e Porm, uma vez criada, conta com uma grande desvantagem, que a restrio ao e e ca seu armazenamento. Neste ponto do processo entram as empresas que realizam a geraca o, transporte e distribuio desta energia at o consumidor nal que paga por estes ca e servios, na forma de faturamento mensal ` empresa concessionria, que entrega em sua c a a residncia atravs de um contrato de fornecimento, a energia necessria `s suas atividades e e a a e necessidades. Um dos principais documentos para o setor de distribuio de energia eltrica a ca e e o resoluo da Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL) n 456 de 29 de novembro ca e e de 2000, onde se estabelecem as Condies Gerais de Fornecimento de Energia Eltrica co e c e (ANEEL, 2000). O preo pago pelo consumidor nal, para o recebimento da energia eltrica, estabelecido individualmente e varia, em cada concessionria, conforme a classe de e a consumo em que se enquadra, bem como em funo dos montantes e caracter ca sticas requeridas. Para quanticar toda essa energia, em seus diferentes percursos at o consumidor e nal, utiliza-se um equipamento denominado Medidor. A medio deve ser realizada com preciso, utilizando-se aparelhos medidores aferidos, ca a testados e aprovados, conforme os padres tcnicos dos rgos ociais de metrologia e o e o a apropriados `s caracter a sticas eltricas e ao tipo de ligao requerido para cada unidade e ca consumidora. Os equipamentos ainda devem ser instalados de acordo com as normas e padres da concessionria. Verica-se, portanto, que a medio um dos principais o a ca e processos no desenvolvimento dos servios de fornecimento e comercializao de energia c ca eltrica e que h uma srie de atividades direta ou indiretamente envolvidas, tornando e a e cr tica a apurao dos dados de consumo e o uxo dessas informaes. ca co Estes medidores envolvidos neste processo podem ser do tipo eletromecnico, o mais a comumente utilizado devido a sua robustez e baixo custo, por isso representa cerca de

15 90 a 95 % do mercado, ou do tipo eletrnico, foco deste trabalho e que atualmente reo presenta uma pequena fatia do mercado, mas que vem ganhando espao pelo fato da c atualizao tecnolgica dos medidores eletromecnicos no compensar os custos envolvica o a a dos e por diversas funcionalidades agregadas ` medio eletrnica de energia eltrica como a ca o e medio multi-parmetros envolvendo no apenas a energia consumida, mas as potncias ca a a e instantneas consumidas pela instalao, tenso e corrente, fator de deslocamento (cos a ca a ), freqncia, entre outros parmetros que podem ser medidos. ue a Pelo fato destes equipamentos baseados em eletrnica possibilitarem outras funcionalio dades, como a venda de energia na forma de crditos pr-pagos, sistemas AMR (Automatic e e Meter Reading) que permitem a medio e comunicao destes dados diretamente do meca ca didor ` concessionria, possibilidade de deteco de fraudes, popularmente conhecidos a a ca como gatos e atuao sobre estas irregularidades na forma de desligamento remoto. ca Algumas destas razes citadas motivam este trabalho, que no cap o tulo 2 apresenta uma descrio sobre os microcontroladores que so a base do sistema de medio proposto, a ca a ca insero destes dispositivos no mercado e suas principais e mais comuns funes. ca co O cap tulo 3 traz a base terica dos medidores de energia, mostrando inicialmente os o sensores envolvidos no processo de condicionamento do sinal para medio, na seqncia ca ue o princ pio de funcionamento tanto do medidor eletromecnico como do medidor digital, a apresentada uma breve conceituao e diferenciao entre fator de potncia e fator e ca ca e de deslocamento, conceitos estes importantes na medio da defasagem entre tenso e ca a corrente. Tambm neste cap e tulo apresenta-se o processamento digital de sinais que e uma ferramenta importante no tratamento de sinais analgicos que so convertidos para o a informao digital e por m alguns aspectos relativos ` preciso na medio de energia ca a a ca eltrica so tambm apresentados. e a e Os cap tulos 4 e 5 apresentam o MSP430, microcontrolador que usado como base e para a construo do prottipo de medio, mostrando suas principais caracter ca o ca sticas, perifricos e registradores. O ambiente de desenvolvimento para este microcontrolador, o e IAR Embedded Workbench, apresentado na forma de etapas para criao de projetos, a e ca digitao dos cdigos de programao e etapas de depurao e simulao. ca o ca ca ca O cap tulo 6 apresenta a norma NBR 14522 que regulamenta o intercmbio de infora maes para sistemas de medio de energia eltrica. A partir desta norma que se dene co ca e e o tipo de comunicao utilizado para o envio das informaes medidas ao registrador de ca co dados, sendo que neste projeto utiliza-se a comunicao serial de usurio. ca a No cap tulo 7 encontra-se uma anlise sobre os dispositivos para medio de energia a ca eltrica, com destaque para o MSP430FE427, utilizado para a construo do prottipo. e ca o Apresentam-se tambm os blocos componentes do medidor, bem como a arquitetura de e hardware e software, o procedimento de calibrao, a implementao da interface serial ca ca

16 compat com a NBR14522 e por m algumas limitaes apresentadas pelo projeto. vel co O cap tulo 8 apresenta os resultados obtidos nos testes do prottipo realizados com o carga e uma anlise destes resultados em termos do erro considerado, em relao a um a ca registrador comercial. O cap tulo 9 apresenta as concluses nais e as perspectivas futuras do trabalho. o

2 MICROCONTROLADORES2.1 Controlador e microcontrolador

Os microcontroladores vm se tornando presena constante em nosso trabalho, em e c nossa casa e nossa vida (USATEGUI; MARTINEZ, 2003). Pode-se encontrar sua utilizaca o nos diversos equipamentos eletrnicos presentes em nosso dia a dia. A popularizao o ca do uso destes dispositivos neste sculo tem ganhado evidncia pela miniaturizao dos e e ca produtos eletrnicos. o Recebe o nome de controlador o dispositivo que empregado no controle de um ou e mais processos. Por exemplo, um controlador que executa o controle do funcionamento de um forno, onde um sensor mede constantemente a sua temperatura interna e quando ultrapassa os limites pr-ajustados, o controlador gera sinais adequados para executar o e controle da temperatura interna do forno. O conceito de controlador tem permanecido inalterado atravs do tempo, e sua ime plementao f ca sica tem variado freqentemente. H trs dcadas, os controladores se u a e e constitu am exclusivamente com componentes de lgica discreta, posteriormente passao ram a ser utilizados microprocessadores, que ao seu redor tinham diversos outros chips de memria, entrada/sa relgios de tempo real, etc. Todos montados sobre uma placa de o da, o circuito impresso. Na atualidade, todos os elementos do controlador podem ser inclu dos em um unico chip, recebendo este o nome de microcontrolador, consistindo em uma soluo integrada ca em um unico chip (Soc - System on Chip), sendo considerado em alguns casos um mini computador. Um microcontrolador um circuito integrado de alta escala de integrao que incore ca pora a maior parte dos elementos que conguram um controlador. Um microcontrolador dispe normalmente dos seguintes componentes: o unidade central de processamento (CPU); memria de programa (ROM, RAM, FLASH); o

18 diversos mdulos para controle de perifricos (temporizadores, portas seriais, cono e versores A/D e D/A, etc); circuito gerador de clock, para sincronizar o funcionamento do sistema. Os produtos que incorporam um microcontrolador dispem das seguintes vantagens: o aumento dos benef cios: um maior controle em um determinado elemento representa uma melhoria considervel de sua performance; a aumento da conabilidade: a substituio de um microcontrolador por um nmero ca u elevado dos elementos diminui o risco de falhas e de menos ajustes ao circuito; reduo do tamanho no produto: A integrao do microcontrolador em uma placa ca ca diminui o volume, o trabalho manual e o estoque; maior exibilidade: as caracter sticas do controle dependem da programao porque ca sua modicao necessita somente mudanas no programa residente no dispositivo. ca c Um microcontrolador um circuito integrado que reduz o nmero de componentes e u utilizados na montagem e desenvolvimento de um sistema de controle. Devido ao seu tamanho reduzido poss e vel montar um controlador no prprio dispositivo a ser cono trolado. Neste caso o controlador recebe o nome de controlador embarcado (embedded controller ) (USATEGUI; MARTINEZ, 2003).

2.2

Diferena entre microcontrolador e microprocesc sador

Um microprocessador um circuito integrado, que contm uma unidade central de e e processamento (CPU), tambm chamado processador. A CPU formada por uma unidade e e de controle que interpreta as instrues e as executa. co Conforme mostra a gura 2.1, em um microprocessador temos os barramentos de dados, endereos e controle, que tornam poss a conexo da CPU com a memria, com c vel a o os mdulos de E/S e perifricos em geral. Desta forma, diz-se ento, que um microproceso e a sador um sistema aberto, porque sua congurao varivel de acordo com a aplicao e ca e a ca (USATEGUI; MARTINEZ, 2003). O principal aspecto que difere os microcontroladores dos microprocessadores, a sua e funcionalidade. Para que um microprocessador possa ser utilizado, outros componentes

19

FIGURA 2.1 Sistema aberto baseado em um microprocessador devem ser adicionados, tais como memria, chipsets e componentes para receber e eno viar dados. Por outro lado, o microcontrolador foi projetado para possuir todas estas funcionalidades em uma unica pastilha. Se houvesse somente um tipo de microcontrolador, como mostrado na gura 2.2, este precisaria possuir muitos recursos, para que se adaptasse a qualquer aplicao, porm, ca e teria-se um dispositivo complexo e caro. Na prtica, cada fabricante de microcontroladores a oferece diversos modelos, desde os mais simples aos mais complexos. Desta forma, e poss escolher o microcontrolador a ser utilizado segundo diversos critrios: capacidade vel e de memria, quantidade de portas de E/S, velocidade de processamento, etc. Por isto, a o escolha do microcontrolador um fator importante na elaborao de um projeto. e ca

FIGURA 2.2 Modelo de microcontrolador

2.3

Aplicaes dos microcontroladores co

Cada vez mais os produtos incorporam um microcontrolador com a nalidade de aumentar suas funcionalidades, reduzir tamanho, custo, melhorar sua conabilidade e diminuir o consumo de energia. Os microcontroladores esto sendo utilizados em muitos sistemas presentes em nossa a

20 vida diria, por exemplo jogos eletrnicos, eletrodomsticos, produtos de udio e v a o e a deo, computadores, impressoras e em larga escala nos automveis. Tambm em outras aplio e caes que estamos familiarizados como instrumentao eletrnica e controle de sistemas co ca o os microcontroladores tambm esto presentes, onde vrios dispositivos se comunicam e a a fazendo o controle de um processo ou equipamento.

2.4

O mercado dos microcontroladores

Existe uma grande diversidade de microcontroladores. A classicao mais importante ca entre o microcontroladores de 4, 8, 16 e 32 bits. A performance dos microcontroladores e de 16 e 32 bits so superiores aos de 4 e 8 bits, porm os microcontroladores de 8 bits a e dominam o mercado, pois na maioria das aplicaes no necessrio utilizar dispositivos co a e a com maior capacidade de processamento e conseqentemente mais caros. u Um dos setores que mais se utiliza dos microcontroladores o automobil e stico, onde algumas fam lias so especialmente desenvolvidas para estas aplicaes e posteriormente a co adaptadas para uso geral. Neste setor as exigncias a que esto submetidos os microcone a troladores so extremas pois temos nestes ambientes vibraes, interferncias eletromaga co e nticas, choques e uma falha em um destes dispositivos pode causar acidentes. e Quanto as tcnicas de fabricao destes circuitos praticamente a totalidade dos microe ca controladores utilizam a tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ). Esta tecnologia supera as demais por seu baixo consumo e alta imunidade ao ru do. Neste mercado segundo (USATEGUI; MARTINEZ, 2003), as vendas de microcontroladores so distribu a das da seguinte forma: um tero do mercado est nas aplicaes relacionadas a computadores e seus peric a co fricos; e um quarto em aplicaes de bens de consumo (eletrodomsticos, jogos, TV, audio, co e etc.); 16% das vendas mundiais utilizadas em aplicaes de comunicao; co ca outros 16% empregados em aplicaes industriais; co aproximadamente 10% na indstria de automao. u ca Tambm os modernos microcontroladores de 32 bits vo se popularizando no mercado e a em aplicaes de processamento de imagens e udio, comunicaes, aplicaes militares e co a co co dispositivos de armazenamentos de dados.

21

2.5

Escolha de microcontroladores

Na hora de escolher qual microcontrolador utilizar em um projeto existem uma se rie de fatores a serem levados em considerao, como a documentao, ferramentas de ca ca desenvolvimento dispon veis, seu preo, quantidade de fabricantes e as caracter c sticas do microcontrolador (tipo de memria de programa, nmero de temporizadores, interrupes, o u co etc.). Com relao ao custo os fabricantes de microcontroladores competem duramente para ca vender seus produtos, sendo que as vendas de microcontroladores representam 10 vezes mais que as de microprocessadores. Para se ter uma idia, a reduo de alguns centae ca vos de dlar em uma unidade pode representar uma grande reduo de custo nal do o ca produto quando produzido em escala. Os fabricantes normalmente disponibilizam suas prprias ferramentas de desenvolvimento espec o cas para cada tipo de microcontrolador, diminuindo assim o custo de sua aquisio. ca Antes de selecionar um microcontrolador importante analisar os requisitos da aplie cao: ca processamento de dados: pode ser necessrio que o microcontrolador realize clculos a a cr ticos em um tempo limitado. Neste caso, devemos assegurar que o dispositivo selecionado possua capacidade para isso. Tambm devemos levar em conta o tamanho e da palavra que estaremos trabalhando. Algumas aplicaes requerem o trabalho com co dados de mais de 8 bits, o que torna necessrio um microcontrolador com capacidade a para tal; entrada e sa da: para determinar as necessidades de Entrada/Sa do sistema conda e veniente construir um diagrama de blocos do sistema, de tal forma que seja poss vel identicar a quantidade e tipo de sinais a controlar. Uma vez realizada esta anlise a pode ser necessrio incluir hardware externo ou utilizar um outro microcontrolador a mais adequado a este sistema; consumo de energia: alguns produtos que utilizam microcontroladores so alimena tados com baterias e seu funcionamento pode ser to vital como ativar um alarme a anti-roubo. O mais conveniente neste caso manter o microcontrolador em modo e de baixo consumo e despert-lo atravs de uma interrupo que execute o processaa e ca mento solicitado; memria: para sabermos a necessidade de memria do sistema devemos separ-la o o a em memria voltil (RAM), memria no voltil (ROM, EPROM, etc.) e memria o a o a a o no voltil que pode ser modicada (EEPROM). Este ultimo tipo de memria pode a a o

22 ser util para incluir informao espec ca ca da aplicao como uma senha, nmero de ca u srie ou parmetros de calibrao; e a ca projeto da placa: a escolha do microcontrolador ir inuir de forma direta neste a item. Deve-se levar em conta que o microcontrolador no aumente os custos do a projeto da placa de circuito impresso. Dentre os microcontroladores mais populares destacam-se: 8051 (ATMEL e outros): sem dvida o microcontrolador mais popular. Fcil de e u a programar e de encontrar no mercado em diversas conguraes e encapsulamentos. co Est bem documentado e possui uma innidade de ferramentas de desenvolvimento; a PSoC(Cypress): a tecnologia do PSoC agrega em um unico chip um microcontro lador embarcado de 8 bits, com um core muito parecido com 8051, componentes da tecnologia analgica e da tecnologia digital, mdulos que desempenham funoes de o o c dispositivos analgicos ou digitais que, antes do surgimento do PSoC, teriam de ser o implementados externamente ao chip; AVR (ATMEL): o AVR um microcontrolador de arquitetura Harvard. Tem 32 e registros de 8 bits. Os microcontroladores AVR tm um pipeline com dois estgios e a (para carregar e executar), que permite que executem a maioria de suas instrues co em um ciclo de relgio, o que o torna extremamente rpido entre os microcontrolao a dores de 8 bits; 68HC11 (Motorola e Toshiba): um microcontrolador de 8 bits popular e com e grande quantidade de modelos; PIC (MicroChip): fam de microcontroladores de 8 e 16 bits que ganha populalia ridade dia a dia. So facilmente encontrados no mercado e possuem farto material a para consulta. Foram os primeiros microcontroladores RISC; HT8(Holtek): so microcontroladores de alta performance da tecnologia RISC que a tm um nmero reduzido de instrues que facilita a programao e fornece maior e u co ca exibilidade ao projeto. Eles so usados em diversas aplicaes de controle de I/O a co e em controle e atuao de sinais de natureza analgica; ca o ARM(Philips, ST e outros): uma arquitetura de processador de 32 bits e usado e e principalmente em sistemas embarcados. Muito usado na indstria e na informu a tica, seu desenvolvimento se deu principalmente para se ter o melhor desempenho poss vel, ocupar pouca rea e ter baixo consumo de energia; a

23 MSP430(Texas): os MSP430 so microcontroladores RISC de 16 bits voltados para a aplicaes de baixo consumo de energia. Esto dispon co a veis diversos perifricos tais e como: timers, USARTs, ADCs de 10, 12 e 16 bits, comparador analgico, amplio cador operacional, DACs de 12 bits, controlador de LCD, etc.

2.62.6.1

Recursos comuns a todos os microcontroladoresArquitetura bsica a

Inicialmente todos os microcontroladores adotavam a arquitetura Von Neumann, e atualmente alguns fabricantes usam a arquitetura Harvard. A arquitetura Von Neumann se caracteriza por dispor de uma memria principal que armazena dados e endereos e o c o acesso a esta memria feito por meio de um sistema de barramentos unico (dados, o e endereos e controle). c A arquitetura Harvard dispe de memria independentes, onde uma contm somente o o e instrues e outra somente dados. Ambas dispem de seus prprios sistemas de acesso e co o o poss realizar operaes de acesso (escrita e leitura), simultaneamente em ambas as e vel co memrias. o

2.6.2

Unidade central de processamento - CPU

Este o elemento mais importante do microcontrolador e determina suas principais e caracter sticas, tanto a n de hardware com a n de software. Ela se encarrega de vel vel comandar a memria de instrues, receber e decodicar a instruo, assim como buscar o co ca os operandos e armazenar o resultado das operaes realizadas. co Os processadores atuais, quanto a arquitetura e funcionalidade, podem ser classicados como: CISC: um grande nmero dos processadores atuais usados nos microcontroladores u so baseado na arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer ou Computador a com um Conjunto Complexo de Instrues). Dispem em mdia cerca de 80 instrues co o e co de mquina no seu repertrio, com algumas sosticadas e potentes, necessitando muitos a o ciclos de relgio para sua execuo. Uma vantagem dos processadores CISC que estes o ca e oferecem ao programador instrues completas que funcionam como macros. co RISC: tanto a indstria dos computadores pessoais, como a dos microcontroladores u esto adotando a losoa RISC (Reduced Instruction Set Complex ou Conjunto reduzido a de instrues Complexas). Nestes processadores o repertrio de instrues reduzido, co o co e com instrues simples executadas em um s ciclo. A rapidez destas instrues permitem co o co

24 otimizar o hardware e software do processador.

2.6.3

Memria o

Nos microcontroladores a memria de instrues e dados est inclusa no prprio chip. o co a o A parte no voltil desta memria (ROM), contm as instrues que controlam a aplicao. a a o e co ca A outra parte (RAM), memria voltil, guarda as variveis e dados utilizados no programa. o a a Algumas particularidades diferenciam os microcontroladores dos computadores pessoais, como a ausncia nos microcontroladores de unidades de alta capacidade de armazee namento de dados. Como os microcontroladores executam um unico programa a memria o ROM necessria reduzida, a memria RAM pode ser de pouca capacidade por ter que a e o guardar apenas as variveis e informaes trocadas durante a execuo do programa. a co ca Tambm como o microcontrolador executa apenas um programa no necessrio guardar e a e a uma cpia do mesmo na RAM, sendo o programa executado diretamente na ROM. o Os usurios de computadores pessoais esto acostumados a trabalhar com memria a a o na ordem de megabytes ou gigabytes, porm, quem trabalha com programao de microe ca controladores trabalha com capacidade de memria ROM entre 512 bytes a 8 Kbytes e o RAM entre 20 a 512 bytes. De acordo com o tipo de memria ROM que dispe o microcontrolador, na aplicao, o o ca sua utilizao pode ser diferente. ca Conforme aponta (USATEGUI; MARTINEZ, 2003), abaixo descreve-se cinco tipos de memrias no volteis dispon o a a veis nos microcontroladores encontrados no mercado: MROM (ROM com mscara): memria no voltil, somente de leitura cujo contedo a o a a u se grava durante a fabricao do chip. O elevado custo da mscara de memria s ca a o o faz seu uso ser recomendado quando se precisam de microcontroladores da ordem de milhes de unidades; o PROM: tipo de memria no voltil gravada somente uma vez OTP (One Time o a a Programmable ou Programvel uma unica vez). O usurio pode escrever o programa a a no chip com o uso de um gravador conectado ao PC. A verso OTP recomendvel a e a quando o tempo de projeto e construo do produto so muito pequenos. Tanto ca a este tipo de memria quanto a EPROM, podem ter proteo do cdigo gravado com o ca o a queima de fus veis no prprio chip; o UVE EPROM: os microcontroladores que dispem de memria EPROM (Erasable o o Programmable Read OnIy Memory) podem ser gravados e apagados muitas vezes. A gravao feita assim como nos dispositivos OTP com o uso de um gravador ca e

25 conectado ao PC. Quando necessrio apagar seu contedo, por disporem de uma e a u janela de cristal, devem ser expostos a luz ultravioleta durante vrios minutos; a STANDART EEPROM: so memrias de somente leitura, programveis e apagadas a o a eletricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto a programao quanto o apagamento se realizam eletricamente no prprio ca o gravador com um programa rodando em um PC. Esta operao rpida e estes ca e a dispositivos no possuem a janela de cristal. Os microcontroladores com memria a o EEPROM uma vez instalados no circuito, podem ser gravados e apagados facilmente, quantas vezes for necessrio, respeitando as limitaes de ciclos de leitura e a co escrita desta memria, sem a necessidade de tir-los do circuito. Para isto utilizamo a se gravadores in-circuit que conferem rapidez e exibilidade a operao. Uma ca tendncia dos fabricantes de microcontroladores incluir uma pequena rea de mee e a mria EEPROM para que se possa armazenar e modicar uma srie de parmetros o e a do sistema em uso. Neste tipo de memria o processo de escrita relativamente o e lento; FLASH EEPROM: uma memria no voltil de baixo consumo, que pode ser e o a a escrita e apagada. Funciona como uma ROM e uma RAM, consumindo menos energia eltrica. A FLASH recomendada frente a EEPROM quando necessria uma e e e a grande rea de memria no voltil. As memrias FLASH e EEPROM so muito a o a a o a uteis por permitir que os microcontroladores possam ser reprogramados in-circuit, sem a necessidade de sac-los das placas. Assim, um dispositivo que utiliza este tipo a de memria incorporado ao controle de um motor de automvel por exemplo, pero o mite que se possa modicar o programa de funcionamento durante uma manuteno ca peridica do ve o culo.

2.6.4

Circuito de relgio o

Todos os microcontroladores dispem de um circuito oscilador, seja ele interno ou o externo. Este gera uma onda quadrada de alta freqncia que congura os pulsos de relgio ue o usados na sincronizao das operaes do sistema. Normalmente, o circuito oscilador ca co est incorporado ao microcontrolador, sendo necessrios apenas uns poucos componentes a a externos para estabilizar a freqncia de operao. Estes componentes consistem em um ue ca cristal de quartzo juntamente com elementos passivos ou o conjunto de um ressoador cermico com uma rede RC. Aumentar a freqncia do sinal de relgio supe diminuir o a ue o o tempo que se executa as instrues, porm isto implica em um aumento do consumo de co e energia.

26

2.7

Recursos especiais

Cada fabricante oferta numerosas verses da arquitetura bsica de um microcontroo a lador. Alguns ampliam a capacidade de memria, incorporam novos recursos, etc. o O trabalho do projetista da aplicao encontrar o modelo que melhor se adapta ` sua ca e a necessidade e satisfaa todas as especicaes de projeto, minimizando custo, hardware e c co software. Os principais recursos espec cos que incorporam os microcontroladores so: a temporizadores ou Timers; co de guarda ou Watchdog; a proteo contra falha na alimentao ou Brownout; ca ca modo de espera e/ou baixo consumo; conversor A/D; conversor D/A; comparador analgico; o modulador de largura de pulso (PWM); portas de E/S digitais; portas de comunicao (UART, SPI, I2C, etc). ca

2.7.1

Temporizadores ou Timers

Se destinam a controlar per odos de tempo (temporizadores), e eventos externos (contadores). Para medir tempos feita a carga de um registro com um valor adequado que e ser incrementado ou decrementado de acordo com os pulsos de clock do sistema, at que a e este registro chegue a zero e seja gerado um aviso (interrupo ou ag). ca

2.7.2

Co de guarda ou Watchdog a

Quando um computador pessoal trava, seja por uma falha de software ou por outra causa, se pressiona o boto de reset e ocorre a reinicializao do sistema. No caso do a ca microcontrolador, este funciona sem o controle de um operador 24 horas por dia. O co de guarda consiste em um temporizador que quando ocorre estouro ou chega a zero a provoca um reset automtico do sistema. a

27

2.7.3

Proteo contra falha de alimentao ou Brownout ca ca

Trata-se de um circuito que inicializa o microcontrolador quando a tenso de alimena tao (Vdd) inferior ` tenso m ca e a a nima ( brownout). Enquanto a tenso de alimentao a ca for inferior a de brownout o dispositivo se mantm desligado at a tenso voltar ao seu e e a patamar normal de funcionamento.

2.7.4

Modo de espera e/ou baixo consumo

Em muitas situaes reais de trabalho, os circuitos microcontrolados devem esperar, co sem executar ao nenhuma. Nestes casos para a economia de energia, que fator chave ca e em aplicaes alimentadas por baterias, os microcontroladores dispem de instrues que co o co os colocam em estado de repouso ou de baixo consumo, com solicitaes de consumo co m nimas.

2.7.5

Conversor A/D

Os microcontroladores que incorporam um conversor analgico/digital (A/D) podem o processar sinais analgicos, nas mais diversas aplicaes. Estes dispem de um multipleo co o xador que permite aplicar ` entrada do canal A/D diversos sinais analgicos. a o

2.7.6

Conversor D/A

Transforma os dados digitais obtidos no processamento da aplicao em um sinal ca analgico que pode ser aplicado a um acionamento externo, por exemplo. o

2.7.7

Comparador analgico o

Alguns microcontroladores possuem internamente um amplicador operacional que atua como comparador de um sinal com uma referncia xa com outro sinal varivel que e a se aplica por um dos pinos de entrada. A sa do comparador provoca um n lgico 1 da vel o ou 0 de acordo com a comparao dos sinais de entrada. ca

2.7.8

Modulador de largura de pulsos (PWM)

So circuitos que provocam em sua sa pulsos de largura programvel, dispon a da a veis em algum pino de sa do microcontrolador para acionamento de cargas como motores, da por exemplo.

28

2.7.9

Portas de E/S digitais

As portas de entrada/sa tm como funo principal estabelecer a interface do da e ca programa contido na memria com o mundo externo, isto , a aplicao, proporcionando o e ca suporte aos sinais de entrada, sa e controle. Todos os microcontroladores tm alguns da e pinos que suportam as linhas de E/S digital. Geralmente estes pinos so agrupados em a portas. Estes pinos podem ser congurados como E/S carregando 1 ou 0 em um registro de congurao. ca

2.7.10

Portas de comunicao ca

Com o objetivo de possibilitar ao microcontrolador comunicar-se com outros dispositivos externos, outros microcontroladores, redes, alguns modelos dispem de portas de o comunicao serial que podem ser: ca UART: comunicao serial ass ca ncrona; USART: comunicao serial s ca ncrona/ass ncrona; USB (Universal Serial Bus): moderno barramento serial utilizado nos PCs; I2C: interface serial a 3 os desenvolvida pela Philips; CAN (Controller Area Network ): protocolo de comunicao serial desenvolvido pela ca Bosch e Intel para comunicao em automveis e adaptado a outros dispositivos; ca o SPI (Serial Peripheral Interface): protocolo de comunicao que pode operar em ca modo mestre/escravo a 4 os.

2.8

Ferramentas de desenvolvimento

Um dos fatores de maior importncia na hora da escolha de um microcontrolador a o suporte tanto de software quanto de hardware dispon e veis. Um bom conjunto de ferramentas de desenvolvimento pode ser decisivo na escolha de um microcontrolador. As principais ferramentas de ajuda ao desenvolvimento de sistemas embarcados em microcontroladores so: a assemblador: a programao em linguagem assembly pode ser uma tarefa rdua para ca a um iniciante. Permite desenvolver programas muito ecientes e d ao programador o a dom absoluto do sistema. Os fabricantes fornecem gratuitamente o assemblador nio para os microcontroladores mais populares;

29 compilador: a programao em alto n (C, C++) permite diminuir o tempo de ca vel desenvolvimento do produto. Mas a programao deve ser bem estruturada, pois se ca isto no ocorrer a ecincia do programa ca comprometida. As verses mais avana e o c adas destes compiladores so muito caras, porm os fabricantes de modelos mais a e populares disponibilizam compiladores gratuitos com verses limitadas de cdigo; o o simulador: so capazes de executar em um PC programas para o microcontrolador. a Os simuladores permitem ter controle sobre a execuo do programa, sendo ideais ca para a depurao dos mesmos. Seu grande inconveniente simular a entrada e sa ca e da de dados no microcontrolador; placas de desenvolvimento: tratam-se de placas com um microcontrolador j mona tado que pode ser conectada a um PC para se fazer a carga dos programas para o microcontrolador. Estas placas podem incluir displays LCD, teclados, leds, pinos de E/S, etc. O programa que faz a carga de dados para o microcontrolador chamado e de monitor. Este programa monitor em algumas placas permite carregar dados na memria do microcontrolador, permite a execuo passo a passo do programa e o ca modicar os valores armazenados nos registros do microcontrolador; emuladores in circuit: trata-se de um instrumento colocado entre o PC e a placa de desenvolvimento do microcontrolador. Faz a interface entre o programa monitor e o circuito do microcontrolador, permitindo depurao e simulao do rmware ca ca diretamente no chip.

3 MEDICAO DE ENERGIA ELETRICAA medio de energia eltrica um processo antigo que vem sendo amplamente utilica e e zado principalmente pelas empresas concessionrias para a medida individual do consumo. a Existem diversas tcnicas para que seja realizada esta medio e ao longo deste cap e ca tulo citam-se duas destas tcnicas e tambm vrios aspectos sobre interfaces de medio, e e a ca processamento de sinais e preciso. a

3.1

Sensores

Os sensores so dispositivos que convertem uma grandeza f a sica em uma segunda grandeza f sica adequada a um sistema de medio. E geralmente denido como um dispositivo ca que recebe e responde a um est mulo ou um sinal. Porm, os sensores articiais so aqueles e a que respondem com um sinal eltrico a um est e mulo ou um sinal (THOMAZINI, 2004). Um transdutor por sua vez um dispositivo que converte um tipo de energia em e outra, no necessariamente em um sinal eltrico. Muitas vezes um sensor composto de a e e um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal eltrico. Podem e ser de indicao direta (como um termmetro de mercrio ou um medidor eltrico) ou em ca o u e par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analgico para o digital, um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne leg para vel o homem. Alm de outras aplicaes, os sensores so largamente usados na medicina, e co a indstria e robtica (WIKIPEDIA, 2007). u o

3.1.1

Caracter sticas de um elemento sensor

As caracter sticas de um elemento sensor so: funo de transferncia, saturao, a ca e ca impedncia de sa a da, excitao e resposta em freqncia. ca ue A principal caracter stica de um elemento sensor a funo de transferncia, a qual e ca e

31 estabelece a relao entre o sinal de entrada e o sinal de sa ca da, sendo sempre poss vel determinar uma funo de transferncia ideal para um sensor. A saturao tambm deve ca e ca e ser considerada, pois todos os sensores tm limites de funcionamento a partir dos quais e perdem a sua linearidade. A impedncia de sa de um sensor importante para o a da e projeto do circuito de interface com o sistema de medida. Para uma sa em tenso, da a a impedncia de sa (Zout) deve ser baixa e a impedncia de entrada (Zin) deve ser a da a alta. Por outro lado, para a sa em corrente, a impedncia de sa deve ser alta e a da a da de entrada deve ser baixa. As caracter sticas de excitao especicam quais as grandezas ca necessrias ao funcionamento de um sensor. Para alguns tipos de sensores importante a e saber a especicao da resposta em freqncia e qual a estabilidade necessria ao sinal de ca ue a excitao. A resposta em freqncia especica qual a sensibilidade do sensor `s variaes ca ue a co de freqncia do sinal de entrada. ue As caracter sticas da aplicao podem tambm inuenciar na escolha dos sensores a ca e utilizar. Fatores como desenho, peso, dimenses e preo so determinantes na escolha dos o c a sensores.

3.23.2.1

Sensores para medio de tenso e corrente ca aSensores de tenso a

Os n veis de medida de tenso eltrica muitas vezes no podem ser aplicados direa e a tamente aos circuitos que realizam o processamento desta grandeza. Neste caso se faz necessria a utilizao de dispositivos ou mtodos para adequar estes n a ca e veis de tenso que a esto sendo medidos aos n a veis que a instrumentao aceita. ca Dentre os dispositivos ou mtodos de medio de tenso destacam-se: e ca a 3.2.1.1 Transformadores de potencial

Transformador de potencial (TP) um transformador para instrumentao cujo ene ca rolamento primrio ligado em derivao com um circuito eltrico e cujo enrolamento a e ca e secundrio se destina a alimentar bobinas de potencial de instrumentos eltricos de media e ca o, controle ou proteo. Na prtica considerado um redutor de tenso, pois a tenso ca a e a a no seu circuito secundrio normalmente menor que a tenso no seu enrolamento primrio a e a a (FILHO, 1997). Os TPs so baseados em relaes, sendo as principais destas: a co

32 relao nominal a relao entre os valores nominais das tenses primria e secunca e ca o a dria, respectivamente, tenses estas para as quais o TP foi projetado e constru a o do. Esta relao indicada pelo fabricante na placa de identicao do TP; ca e ca relao real a relao entre o valor exato de uma tenso qualquer aplicada ao ca e ca a primrio do TP e o correspondente valor exato da tenso vericada no secundrio a a a do TP; fator de correo de relao que a razo entre a relao nominal e a relao real ca ca e a ca ca do TP. Na prtica lemos o valor da tenso no secundrio do TP com um volt a a a metro e multiplicamos este valor pela relao nominal. Este valor representa o valor medido ca da tenso primria, e no seu valor exato. a a a Para aplicao dos TPs, as normas tcnicas denem certas condies de uso baseadas ca e co em um valor determinado classe de exatido que denida pelos valores 0,3, 0,6 e 1,2 e a e as aplicaes so especicadas conforme a tabela 3.1. co a TABELA 3.1 Classe de exatido dos TPs. aClasse de Exatido a Melhor do que 0,3 0,3 0,6 ou 1,2 Aplicao ca TP padro; a Medies e laboratrio; co o Medies especiais; co Medio de energia eltrica para ca e faturamento ao consumidor Medio de energia eltrica sem ca e nalidade de faturamento ao consumidor; Alimentao de rels; ca e Alimentao de instrumentos de controle: ca volt metro, watt metro, var metro, freqenc u metro, etc

3.2.1.2

Divisor resistivo

Outra maneira simples de realizar a interface de entrada de tenso para adequar os a n veis do circuito a ser medido com o circuito que faz o tratamento de informaes a co e utilizao de um divisor de tenso resistivo. ca a Este divisor nada mais do que uma associao de resistores para que a tenso aplicada e ca a a ` entrada deste circuito seja dividida entre os componentes do circuito resultando na sa da do circuito uma tenso nos n a veis adequados ` entrada do circuito de medio. a ca A gura 3.1 ilustra este circuito onde a tenso da rede aplicada ao resistor paralelo a e (Rm) que possui maior valor e a maior parte da tenso ca sobre este resistor. Desta a forma sobre o resistor srie (Rc) ca a menor parcela da tenso da rede. Esta amostra e a da tenso a que dever ser aplicada ao circuito de medio para o processamento da a e a ca informao de tenso. ca a

33

FIGURA 3.1 Divisor resistivo.

3.2.2

Sensores de corrente

Assim como no caso da tenso, para a medio de corrente eltrica tambm temos a ca e e a necessidade de colocar os n veis da corrente eltrica que circula pelo circuito de forma e adequada para realizar a medio. ca Para a medio de corrente estes dispositivos so mais variados e entre alguns destes ca a destacam-se pela sua grande utilizao. ca 3.2.2.1 Transformadores de corrente

Um transformador de corrente ou simplesmente TC um dispositivo que transforma a e corrente que circula em um enrolamento primrio, atravs de um acoplamento magntico, a e e em uma corrente induzida no secundrio (gura 3.2). Os transformadores de corrente, a tambm chamados de transformadores de instrumentos, utilizados em aplicaes de alta e co corrente, tm a funo de fornecer correntes proporcionais `s medidas no circuito prie ca a mrio de potncia, mas sucientemente reduzidas e isoladas galvanicamente de forma a a e possibilitar a medio por equipamentos de proteo e medio (FILHO, 1997). ca ca ca

FIGURA 3.2 Transformador de corrente bsico. a O enrolamento primrio dos TCs normalmente constitu por poucas espiras feitas a e do

34 por condutor de cobre de elevada seo. ca So classicados de acordo com o modelo do enrolamento primrio, j que o enroa a a lamento secundrio constitu por uma bobina com derivaes (taps) ou mltiplas a e do co u bobinas ligadas em srie e/ou paralelo, para se obter diferentes relaes de transformao. e co ca Quanto aos tipos construtivos segundo (WIKIPEDIA, 2007), os TCs mais comuns, so: a tipo enrolado: este tipo usado quando so requeridas relaes de transformaes e a co co inferiores a 200/5. Possui isolao limitada e, portanto, se aplica em circuitos at ca e 15kV. Ocorre quando o enrolamento primrio, constitu de uma ou mais espiras, a do envolve mecanicamente o ncleo do transformador; u tipo barra: transformador de corrente cujo enrolamento primrio constitu por a e do uma barra, montada permanentemente atravs do ncleo do transformador; e u tipo bucha: consiste de um ncleo em forma de anel (ncleo toroidal), com enrolau u mentos secundrios. O ncleo ca situado ao redor de uma buchade isolamento, a u atravs da qual passa um condutor, que substituir o enrolamento primrio. Este e a a tipo de TC comumente encontrado no interior das buchasde disjuntores, transe formadores, religadores, etc; tipo janela: tem construo similar ao tipo bucha, sendo que o meio isolante entre ca o primrio e o secundrio o ar. O enrolamento primrio o prprio condutor do a a e a e o circuito, que passa por dentro da janela; tipo ncleo dividido: transformador de corrente tipo janela em que parte do ncleo u u separvel ou basculante, para facilitar o enlaamento do condutor primrio; e a c a tipo com vrios enrolamentos primrios: transformador de corrente com vrios ena a a rolamentos primrios distintos e isolados separadamente; a tipo com vrios ncleos: transformador de corrente com vrios enrolamentos secuna u a drios isolados separadamente e montados cada um em seu prprio ncleo, formando a o u um conjunto com um unico enrolamento primrio, cujas espiras (ou espira) enlaam a c todos os secundrios. a Assim como os TPs os TCs tambm de acordo com sua aplicao so padronizados e ca a por sua classe de exatido. A tabela 3.2 apresenta estas classes e suas aplicaes. a co 3.2.2.2 Resistor shunt

O processo mais utilizado de medida de corrente eltrica em um circuito feito e e introduzindo-se uma resistncia shunt em srie com o mesmo. A intensidade de core e rente obtida pela lei de Ohm a partir da tenso medida na resistncia shunt conforme e a e

35 TABELA 3.2 Classe de exatido dos TCs. aClasse de Exatido a Melhor do que 0,3 0,3 0,6 ou 1,2 Aplicao ca TC padro; a Medies e laboratrio; co o Medies especiais; co Medio de energia eltrica para ca e faturamento ao consumidor Medio de energia eltrica sem ca e nalidade de faturamento ao consumidor; Alimentao de instrumentos de controle: ca volt metro, watt metro, var metro, freqenc u metro, etc

a gura 3.3. Tal mtodo apresenta alguns inconvenientes, como no caso da alta corrente e que provoca um aquecimento do resistor, a tenso que causa problemas de isolao eltrica a ca e do sistema de medida e a alta freqncia que produz o Efeito Pelicular (Skin) (HIGASHI, ue 2006).

i(t) =

v(t) R

onde: i(t) a corrente eltrica, em amp`res, v(t) a tenso eltrica, em volts e R o valor e e e e a e e do resistor shunt;

FIGURA 3.3 Determinao da corrente atravs de resistor shunt. ca e No caso real, os os que formam o resistor shunt possuem uma indutncia interna e a outra externa, a qual pode ser representada por meio do circuito equivalente da gura 3.4. Esta indutncia provoca um atraso da corrente em relao ` tenso, atraso esse que deve a ca a a ser corrigido para minimizar os erros de medida. Existe ainda uma capacitncia parasita, a mas como seu valor muito pequeno, esta pode ser desprezada. e Algumas caracter sticas importantes do resistor shunt devem ser citadas: caracter sticas eltricas e Dentre as caracter sticas eltricas necessrio salientar que a indutncia prpria (ine e a a o terna) do o que compe o resistor pode ser desprezada, isto , apesar do o possuir uma o e

36

FIGURA 3.4 Caracter sticas intr nsecas do resistor shunt. indutncia, ela muito pequena. O resistor deve ter uma boa linearidade, isto , a relao a e e ca entre a entrada e a sa deve ser constante e pequena resistncia hmica para interfeda e o rir o menos poss no trecho do circuito em que ocorre a medio, alm de permitir o vel ca e aterramento do cabo de medio, diminuindo ru ca dos que possam causar erros de medida. caracter sticas trmicas e O resistor dissipa energia sob a forma de calor. Como a perda de potncia propore e cional ao quadrado da corrente, temos que, para altas correntes, uma alta dissipaao de c energia. Entretanto, a variao da resistncia desprez com a variao da temperaca e e vel ca tura. Um resistor shunt deve possuir valores que o caracterizam e o identicam, entre os quais: corrente mxima (IMAX); a n do sinal (VRMS); vel resistncia (); e tempo de resposta (ms). As vantagens de um resistor shunt so o baixo custo e a relativa preciso. Por outro a a lado, o resistor shunt possui indutncias e capacitncias parasitas associadas, baixas tena a ses de sa para pequenas correntes, perdas por aquecimento em altas correntes e uso o da restrito a medidores monofsicos (THOMAZINI, 2004). a 3.2.2.3 Bobina de Rogowski

Uma alternativa segura e convel para medida de corrente eltrica o uso da bobina a e e de Rogowski. Esta bobina, representada na gura 3.5, consiste de um ncleo toroidal, que u

37 colocado em torno do condutor. O campo magntico produzido pela corrente alternada e e no condutor induz uma tenso na bobina. a

FIGURA 3.5 Bobina de Rogowski. Dentre as vantagens da bobina de Rogowski (HIGASHI, 2006), podemos citar a larga faixa de leitura em relao ao resistor shunt , a qual vai desde mA at alguns kA. A ca e bobina no apresenta histerese, pois seu ncleo de material no magntico. Possui boa a u e a e linearidade, formato que facilita as medidas em lugares com acesso limitado, no possui a contato f sico com o circuito, um baixo consumo e uma baixa variao do sinal da sa ca da com a temperatura. Alm disso, a indutncia mtua no depende da corrente nem da e a u a freqncia do sinal a medir. A unica limitao em freqncia vem determinada pela ue ca ue ressonncia da bobina, a qual depende do projeto. a Podemos ressaltar dois tipos de bobinas de Rogowski, as bobinas ex veis e as bobinas r gidas. No caso das bobinas ex veis, a bobina se localiza sobre um ncleo ex u vel. A bobina pode ser fechada ao redor do condutor que se deseja medir por meio da unio de seus a extremos. Neste caso, o importante que a unio se faa corretamente para obter um e a c circuito fechado e minimizar desta forma toda a inuncia de correntes externas ` bobina. e a Este tipo de construo util quando se trabalha com condutores largos e de dif acesso, ca e cil alm de ser apropriado para medir a corrente sem ter que desconectar o condutor. e A bobina r gida composta de um ncleo toroidal r e u gido de material no magntico a e sobre o qual se enrolam as espiras que formam o sensor. Esta bobina mais indicada e para medidas de grande preciso e para ser instalada de forma permanente. A indutncia a a mtua mais elevada e desta maneira, a tenso de sa maior que nas ex u e a da e veis. 3.2.2.4 Sensor de corrente Hall

Um sensor de efeito Hall basicamente uma pastilha retangular de material condue tor conduzindo corrente, posicionado em uma regio de campo magntico para medir a a e densidade de uxo, como ilustrado na 3.6. Se h uma densidade de uxo magntico de magnitude B ortogonal ` superf de a e a cie

38

FIGURA 3.6 Representao de um sensor de efeito Hall. ca uma pastilha de espessura t, uma diferena de potencial V induzida ao longo de sua c e largura, dada por:

V =

RhIB t

onde Rh o coeciente Hall, o qual constante para um dado material a uma teme e 3 peratura xa, sendo expresso em m / C. Portanto, para uma determinada corrente I e temperatura de operao t, a tenso V proporcional a densidade de uxo magntico B. ca a e e

3.3

Mtodos de medio de energia eltrica e ca e

A medio da energia eltrica empregada, na prtica, para possibilitar ` entidade ca e e a a fornecedora o faturamento adequado da quantidade de energia eltrica consumida por e cada usurio, dentro de uma tarifa estabelecida. a A concessionria, entidade fornecedora de energia eltrica, tem grande interesse no a e perfeito e correto desempenho deste medidor, pois nele que repousam as bases econmie o cas da empresa. Os lit gios entre consumidores e fornecedor podem ser bastante reduzidos se os cuidados necessrios forem dispensados ` correta medio da energia eltrica consua a ca e mida (FILHO, 1997). A energia eltrica uma mercadoria comercializada como outra qualquer, tendo, ene e tretanto ` sua vendagem algumas implicaes de ordem prtica: a co a 1. o consumidor somente paga aps o trmino do per o e odo de consumo, em geral um ms; e 2. o medidor ca na casa do consumidor, o que requer cuidados especiais por parte da concessionria; a

39 3. muitos consumidores vericam diariamente o medidor, enquanto que a concessiona ria faz isto somente uma vez ao ms, por intermdio de um leiturista. e e Atualmente a medio de energia eltrica amplamente efetuada atravs do medidor ca e e e tipo induo que um equipamento consolidado no mercado, principalmente pelas caca e racter sticas de baixo custo e robustez. Mas o avano tecnolgico deste tipo de medidor c o parece no justicar seu avano e o uso de solues em estado slido vem se tornando uma a c co o tendncia no mercado para medio de diversos parmetros relativos a energia eltrica. e ca a e

3.3.1

Medidor tipo induo ca

O medidor tipo induo empregado em corrente alternada para medir a energia ca e eltrica absorvida por uma carga. E constitu essencialmente, das partes mostradas na e do, ue gura 3.7 e citadas na seqncia.

FIGURA 3.7 Esquemtico do medidor tipo induo. a ca Bobina de tenso ou de potencial (Bp), altamente indutiva, com grande nmero de a u espiras de o no de cobre, para ser ligada em paralelo com a carga. Bobina de corrente (Bc), com poucas espiras de o grosso de cobre, para ser ligada em srie com a carga; dividida em duas meias bobinas enroladas em sentidos contrrios. e e a

40 Ncleo de lminas de material ferromagntico, justapostas, mas isoladas umas das u a e outras para reduzir as perdas por correntes parasitas (Foucault). Conjunto mvel ou rotor constitu de disco de alum o do nio, de alta condutibilidade, com grau de liberdade de girar em torno do seu eixo de suspenso (M), ao qual solidrio; a e a a este eixo est preso um parafuso sem m que aciona um sistema mecnico de engrenagem a a que registra, num mostrador, a energia eltrica consumida. e Im permanente para produzir conjugado frenador ou de amortecimento sobre o disco. a Para apresentar o princ pio de funcionamento deste tipo de medidor interessante e lembrar que: um condutor percorrido por uma corrente i, na presena de um campo c magntico B, ca submetido a uma fora F cujo sentido dado pela regra dos trs dedos e c e e na mo direita e cujo mdulo dado por: a o e F = B.i.L.sen onde L o comprimento do condutor sob a ao do campo magntico B e , o e ca e e a ngulo entre B e a direo iL no espao. Este fenmeno o conhecido como fenmeno da ca c o e o interao eletromagntica. ca e O medidor tipo induo tem o conjugado motor originado no disco graas ao fenmeno ca c o da interao eletromagntica. ca e O uxo alternado da bobina de potencial ao atravessar o disco de alum nio, nele induz correntes de Foucault. A interao entre estas correntes e o uxo da bobina de corrente ca d origem a uma fora e, conseqentemente, a um conjugado em relao a M, fazendo a c u ca girar o disco. Simultaneamente, o uxo alternado da bobina de corrente induz correntes de Foucault no disco. A interao entre estas correntes e o uxo d origem a outra fora e, ca a c conseqentemente, a outro conjugado em relao a M, fazendo girar o disco. u ca Como o disco pode girar em torno do seu eixo M, a sua velocidade ser proporcional a a potncia da carga. e Esta velocidade pode ser ajustada de tal modo que o nmero de rotaes, durante um u co dado intervalo de tempo, seja proporcional a energia solicitada pela carga durante este intervalo de tempo, assim o disco dar um certo nmero de voltas por Wh. O movimento a u do disco transmitido, por meio de um sistema mecnico de engrenagem, ao mostrador e a do instrumento que indicar em kWh a quantidade de energia absorvida pela carga. a a De acordo com a norma ABNT-PB-182/72 (FILHO, 1997) os medidores eletromecnicos monofsicos fabricados no Brasil esto padronizados nas seguintes grandezas: a a corrente nominal: 15 A;

41 tenso nominal: 240 V ou 120 V. a Estes medidores nacionais, quanto aos mancais do conjunto mvel, so classicados o a em dois tipos: tipo mancal mecnico, com vida util em torno de 15 anos. Corrente mxima a a em regime permanente 60 A. Portanto suportam uma sobrecorrente de 400 %. tipo mancal magntico, com vida util prevista em torno de 30 anos. Corrente e mxima em regime permanente de 100 A, portanto suportam uma sobrecora rente de 667 %.

3.3.2

Medidor eletrnico o

O conceito de medio eletrnica de energia eltrica relativamente simples e pode ca o e e ser explicado como a integrao no tempo da multiplicao entre os valores de tenso e ca ca a corrente medidos. E= V xIdt

A energia eltrica medida por uma circuito de interface analgica (AFE - Analog e e o Front End ), composto por uma entrada de tenso que pode ser feita por um transformador a de potencial ou divisor resistivo e uma entrada de corrente efetuada por um resistor shunt, transformador de corrente, sensor Hall, etc. A aplicao destes sinais de tenso e corrente ca a a ` entrada dos conversores A/D convertida em pulsos, onde cada pulso representa a e quantidade de energia consumida de forma anloga ao medidor eletromecnico, onde a a estes pulsos so apresentados na forma de rotao do disco e cada rotao representa a ca ca uma quantidade de energia consumida. Para o clculo de energia eltrica consumida existem uma srie de relaes que devem a e e co ser aplicadas para que se chegue ao valor nal, para melhor exemplicar estas relaes co faremos uma analogia com o medidor eletromecnico. a No medidor eletromecnico temos a interao dos campos produzidos pela tenso a ca a aplicada ` bobina de potencial e corrente que circula pela bobina de corrente, produzindo a a rotao do disco de alum que corresponde a uma determinada quantidade de energia ca nio consumida. No medidor eletrnico temos uma constante Cz que corresponde ` quantidade o a de pulsos medidos por Kwh. e O processo de medio demostrado por (BIERL, 2000), onde a constante Cz ca e denida em pulsos/Wh como:

Cz =

cos(2..f.t) t.ki.ku

42 onde: f = freqncia da rede, t= intervalo de integrao, ki= fator de multiplicao ue ca ca para corrente e ku= fator de multiplicao para tenso. ca a Agora com a constante denida e amostrando-se os sinais de entrada da tenso e a corrente temos a expresso intermediria: a a

1 E= x cos(2..f.t)

t=

ki.(ADCin ADC0i).ku(ADCun 1+ADCun +12.ADC0u).tt=0

Separando os valores da expresso entre variveis e constantes, resulta em: a a

1 E= .t.ki.ku cos(2.f.t)

t=

(ADCin ADC0i).(ADCun 1+ADCu n+12.ADC0u)t=0

onde alm dos valores utilizados em Cz, temos: e ADCi e ADCu = amostra atual de corrente e tenso respectivamente; a ADC0i e ADC0u = amostra de corrente e tenso em t = 0; a ADCin = valor da amostra atual de corrente; ADCun-1 = valor da amostra anterior da tenso; a ADCun+1 = valor da amostra atual da tenso. a Cabe ainda lembrar que o valor de Cz varia conforme o mtodo utilizado do AFE. Para e a utilizao de um divisor resistivo para a entrada de tenso, sensor Hall para a entrada ca a de corrente e fazendo as substituies apropriadas em E, o valor da energia consumida co expresso em kWh dado por: et= t=0 (ADCin

E=

ADC0i).(ADCun 1 + ADCun + 1 2.ADC0u) 3.6x109 .Cz

Desta forma que ocorre atravs a da aquisio dos sinais de tenso e corrente medidos e e ca a sobre a carga a converso em pulsos de energia que podem ser calculados de acordo com a a ultima expresso apresentada. a

3.4

Fator de potncia x fator de deslocamento e

De acordo com a portaria 1.569 de 23/12/93 do DNAEE, o fator de potncia m e nimo exigido para as concessionrias de energia eltrica de 0,92 (a partir de maro/96). a e e c

43 Porm a designao de fator de potncia considera que as cargas dos circuitos medidos e ca e so lineares. Caso isso no seja verdadeiro, o que ser medido e controlado o fator de a a a e deslocamento (NOLL et al., 2005). Antigamente, quando as cargas eram somente capacitivas, indutivas e resistivas o fator de potncia era denido como o cosseno do ngulo de defasagem entre a tenso e a e a a corrente. Este ngulo medido levando-se em conta que o per a e odo da tenso para uma a rede de 60 Hz pouco mais de 16 ms que correspondem a 360 graus. e A diferena que o fator de deslocamento dado pela defasagem do ngulo medido enc e e a tre a fundamental da tenso e a fundamental da corrente, desprezando-se todo o contedo a u harmnico destes sinais. o Para o clculo do fator de potncia necessrio um sistema com alta capacidade a e e a de processamento, pois a aquisio dos dados de tenso e corrente para a medida do ca a deslocamento entre as senides deve ser feita para o sinal fundamental e suas harmnicas o o e executado um somatrio destes deslocamentos para se obter o valor real do fator de o potncia. Para que isto seja feito em tempo real um sistema baseado em um processador e digital de sinal (DSP) que recebe a amostra de um sinal faz seu processamento e coloca na sa o dado antes que a prxima amostra seja adquirida. da o Como a maioria dos sistemas de medio de energia eltrica digital utiliza como base ca e microcontroladores que possuem capacidade de processamento reduzida em relao aos ca DSPs, estes executam apenas o clculo do fator de deslocamento, pois executam apenas a a aquisio das senides fundamentais da tenso e corrente. ca o a

3.5

Processamento digital de sinais

O processamento digital de sinais estuda as regras que governam os sinais que so a funes de variveis discretas, assim como os sistemas usados para process-los. Ele co a a tambm lida com os aspectos envolvidos no processamento de sinais que so funoes de e a c variveis cont a nuas utilizando tcnicas digitais. O processamento digital de sinais permeia e a vida moderna. Encontra aplicao nos CD players, na tomograa computadorizada, ca no processamento geolgico, nos telefones celulares e muitos outros dispositivos (DINIZ; o SILVA; NETTO, 2004). No processamento analgico de sinais, tomamos um sinal que varia continuamente o representando uma quantidade f sica que varia continuamente, e o passamos por um sistema que modica o sinal com um certo propsito. Essa modicao tambm , em geral, o ca e e continuamente varivel pela natureza, isto , pode ser descrita por equaes diferenciais. a e co Alternativamente no processamento digital de sinais, processamos seqncias de nue u

44 meros usando algum tipo de hardware digital. Normalmente, chamamos essas seqncias ue de nmeros de sinais digitais ou sinais no tempo discreto. O poder do processamento u digital de sinais decorre do fato de que, uma vez que uma seqncia de nmeros esteja ue u dispon para o hardware digital apropriado, podemos efetuar qualquer forma de provel cessamento numrico sobre eles. e Claramente, isso seria muito dif de implementar usando um hardware analgico. cil o Contudo, se amostrarmos o sinal analgico e o convertermos em uma seqncia de no ue u meros, esta pode ser apresentada como entrada a um computador digital, o qual pode executar a operao de processamento e conavelmente, gerar uma seqncia de dados de ca ue sa da. Se o sinal no tempo cont nuo puder ser recuperado a partir da seqncia de sa ue da, ento o processamento foi executado com sucesso. a O hardware necessrio para este tipo de processamento o processador digital de a e sinais que um processador especializado em clculos matemticos, pois o processamento e a a deste tipo de sinal basicamente uma seqncia de multiplicaes e adies. e ue co co Este processamento pode ocorrer de duas formas: OFF-LINE : dados do sinal de entrada j esto todos dentro do sistema e, portanto, a a o tempo de processamento no cr a e tico. Ex: processamento de sinal mdico (como e Tomograa Computadorizada) e de sinal de abalo s smico. REAL-TIME : o sinal de entrada produzido no mesmo tempo que est sendo e a adquirido. Para cada amostra de entrada produzida uma amostra de sa e da, antes o campo dos processadores da prxima aquisio (o tempo, portanto cr o ca e tico). E digitais de sinais. Ex: telefonia, radar. A velocidade dos DSPs medida em MIPS (milhes de instrues por segundo), para e o co DSPs de ponto xo e MFLOPS (milhes de instrues de ponto utuante por segundo), o co para dispositivos de ponto utuante. O mercado encontra-se em rpida e enorme expanso (8 - 10 bilhes de dlares por a a o o ano/ crescimento de 30 - 40 % cada ano) causado pelas crescentes aplicaes em telecomuco nicaes, DVD players, discman, etc. As quatro empresas principais so: Analog Devices, co a Lucent Thechnologies, Motorola e Texas Instruments.

3.6

Preciso na medio de energia eltrica a ca e

A rea de medio de energia eltrica, principalmente quando se destina ao faturaa ca e mento ao consumidor requer muitos cuidados com relao ` preciso nas medidas realica a a zadas. Este cuidado com a preciso deve ocorrer tanto pelo lado da concessionria que a a

45 coloca o medidor na residncia do usurio, quanto do prprio usurio que quem vai pagar e a o a e pela energia consumida e no est disposto a gastar com a energia que no efetivamente a a a e consumida por ele. Quanto a especicao pela concessionria de medidores eletrnicos de energia, os ca a o fabricantes devem obedecer a uma srie de requisitos relativos a preciso e erros admitidos e a por seus equipamentos, e neste ponto o projeto do medidor deve atender a estes requisitos que esto regulamentados pela norma brasileira (ABNT, 2000a). a Nesta fase de projeto surgem alguns itens que interferem nas medidas. A utilizao de ca transformadores para instrumentos (TPs e TCs) so fatores que interferem nas medidas a de tenso e corrente, pois como estes elementos tm caracter a e sticas altamente indutivas provocam um atraso nos sinais de tenso e corrente medidos, o que pode interferir na a aquisio destes sinais. Para a correo destes atrasos so necessrias medidas de ajuste ca ca a a no software de medio, como a incluso de rotinas de atraso para que a aquisio destes ca a ca sinais seja feita corretamente (GARCIA et al., 2003). A adoo de outras tcnicas de condicionamento de sinal como a utilizao de divisores ca e ca resistivos para a aquisio da tenso, pode minimizar o efeito de atraso no sinal da tenso. ca a a Para a aquisio do sinal de corrente, o uso de sensores de efeito Hall ou bobina de ca Rogowski, so tcnicas que minimizam os efeitos deste elementos sobre o sinal de corrente a e devido as suas caracter stica de isolamento do sinal de entrada para o sinal de sa da. Como para o clculo dos diversos parmetros medidos (potncias ativa, reativa e apaa a e rente, fator de potncia, etc) a base so os sinais de tenso e corrente, a correta aquisio e a a ca destes sinais e a devida correo realizada sobre eles minimiza os erros na medida, adequa ca esta aos padres normalizados e torna a fase de calibrao uma das mais importantes na o ca fase de projeto de um medidor eletrnico, pois pode reduzir tempo de desenvolvimento o tendo inuncia direta no custo nal do projeto. e

4 MICROCONTROLADOR MSP430O microcontrolador da fam MSP430 fabricado pela Texas Instruments. Trata-se lia e de um microcontrolador de baixo consumo com 16 bits. Possui arquitetura de barramento clssica Von Neumann, permitindo que a CPU possua um espao unico de endereamento a c c de memria e, segundo alguns autores, conjunto reduzido de instrues (RISC), pelo fato o co de possu rem instrues com larguras e, consequentemente tempos de execuo variveis. co ca a O MSP430 torna-se competitivo em preo com os microcontroladores de 8 bits exisc tentes no mercado, conseguindo suportar instrues de 8 bits e de 16 bits, permitindo a co migrao a partir de plataformas similares. ca a De acordo com (PEREIRA, 2005), alguns aspectos da arquitetura MSP430 so: baixo consumo: os MSP30 so dispositivos conhecidos pelo consumo incrivelmente a baixo (da ordem de 0,1A para reteno de dados na RAM, 0,8A para funcionaca mento no modo de relgio de tempo real) e cerca de 250 A/MIPS em funcionamento o da CPU; baixa tenso de operao: operam com tenses de 1,8V a 3,6V. Para programao a ca o ca da FLASH a maioria dos dispositivos opera com 2,7V; conjunto de instrues ortogonais: disponibilidade de qualquer modo de endereaco c mento para qualquer instruo e qualquer operando permite que se escrevam cdigos ca o pequenos e ecientes; nmero reduzido de instrues: arquitetura RISC com 27 instrues f u co co sicas (opcodes) e mais 24 instrues emuladas (variaes das 27 instrues que utilizam os co co co geradores de constantes), resultando em um conjunto de 51 instrues; co grande quantidade de perifricos: os chips MSP430 contam com um conjunto base tante extenso de perifricos internos, com nfase especial para conversores A/D e e de at 16 bits, conversores D/A, comparador analgico, amplicador operacional e o programvel, controladores DMA, timers com diversos modos de funcionamento a

47 (incluindo PWM), controlador LCD, USART com capacidade de enderamento, multiplicador por hardware com capacidade de executar operaes de multiplicao e co ca acmulo; u facilidade de gravao e depurao: a utilizao da interface JTAG para gravao e ca ca ca ca depurao permite que o projetista realize a programao e a depurao do software ca ca ca diretamente na placa de aplicao, sem a necessidade de utilizao de equipamentos ca ca dispendiosos como emuladores.

4.1

Viso geral da CPU a

Os microcontroladores MSP430 possuem um design simples e ao mesmo tempo poderoso. Em primeiro lugar, importante saber que a CPU destes chips possui trs barramentos e e distintos (endereo (MAB da gura 4.1),dados (MDB da gura 4.1) e controle), sendo c os dois primeiros de 16 bits. Uma vez que o barramento de endereos possui 16 bits, signica que podemos acessar c at 65536 posies de memria. e co o J com relao ao barramento de dados, a largura de 16 bits signica que a CPU pode a ca processar informaes em lotes de 16 bits (a maioria dos concorrentes diretos dos MSP430 co so chips de 8 bits). Isso facilita muito o trabalho do programador, pois muitas aplicaes a co atuais trabalham com dados de 16 ou mais bits. Alm disso, a CPU possui tambm 16 registradores internos (todos de 16 bits) nomeae e dos de R0 a R15, destes 4 (R0 a R3) tem funo especial e 12 (R4 a R15) so de propsito ca a o geral (GPR). Vale lembrar ainda que aps um reset o contedo dos GPR indeterminado. o u e Uma arquitetura simplicada dos MSP430 apresentada na gura 4.1 e

FIGURA 4.1 Arquitetura simplicada do MSP430.

48 Dos 4 registradores de funo especial temos as seguintes funes: ca co R0 - Contador de Programa (PC) que possui a nalidade de apontar a prxima o instruo a ser lida da memria e executada pela CPU. Um aspecto interessante do ca o contador de programa nessa arquitetura que ele pode ser lido/escrito diretamente e pelo software em execuo, permitindo o uso de tcnicas, como por exemplo o desvio ca e calculado. Aps o reset do sistema o registrador carregado com o contedo do vetor o e u de reset especicado no endereo 0xFFFE. O endereo apontado por ele corresponde c c a localizao da primeira instruo do programa do usurio. ca ca a R1 - Apontador de Pilha (SP) utilizado para indicar ` CPU a localizao do topo a ca da pilha de memria, onde so armazenados os endereos de retorno nas chamadas o a c de sub-rotinas e tratamentos de interrupes. Nos MSP430 poss co e vel tambm o e armazenamento de outros valores na pilha por meio das instrues PUSH (armaco zenamento na pilha) e POP (leitura de um valor da pilha). Isto signica que e poss utilizar a pilha para o armazenamento temporrio de informaes, como, vel a co por exemplo, o salvamento de contexto em interrupes, passagem de parmetros co a na chamada de funes, sub-rotinas, etc. A estrutura a pilha LIFO (last in rst co e out), sendo assim os dados salvos devem se recuperados na ordem inversa em que foram guardados. R2 - Registrador de Status (SR) pode funcionar como registrador de estado da CPU ou como gerador de constantes. Como SR possui o propsito de armazenar o bits de estado da CPU (overow, controle global de interrupes, negativo, zero, co carry, gerador de clock do sistema, gerador DC do DCO, oscilador desligado, CPU desligada). R2 - R3: Geradores de constantes (CG1, CG2) Com os registradores geradores de constantes (R2 e R3) so geradas 6 constantes usualmente utilizadas, sem que seja a necessrio recorrer a uma palavra adicional de 16 bits no cdigo do programa. a o

4.2

Organizao da memria ca o

A tabela 4.1 mostra o mapa de memria dos MSP430: o

49 TABELA 4.1 Mapa de memria. oENDERECO 0x0000 a 0x000F 0x0010 a 0x00FF 0x0100 a 0x01FF 0x0200 a 0x09FF 0x0A00 a 0x0BFF 0x0C00 a 0x0FFF 0x1000 a 0x10FF 0x1100 a 0x38FF 0x3900 a 0xFFDF 0xFFE0 a 0xFFFD 0xFFFE a 0xFFFF DESCRICAO SFR - Registradores de funes especiais co (controle de interrupes e de ativao dos mdulos internos) co ca o Registradores de controle de perifricos (acesso de 8 bits) e Registradores de controle de perifricos (acesso de 16 bits) e Memria RAM (at 2Kbytes). Nos chips com mais de 2Kbytes de RAM, o e esta rea espelhada nos endereos 0x1100 a 0x18FF a e c Area no implementada) a ROM de BOOT (Bootstrap Loader ) FLASH (256 bytes - Information Memory) Memria RAM (at 8Kbytes) ou FLASH, dependendo do chip o e Memria FLASH o 15 vetores de interrupo ca Vetor de reset

4.3

Set de instrues assembly e modos de endereco c amento

Uma caracter stica chave na arquitetura MSP430 seu conjunto de instrues redue co zido, com apenas 27 instrues de um total de 51, reconhec co veis pela CPU. A adoo de ca um pequeno conjunto de instrues implica em menor quantidade de bits para formar um co op-code, o que reduz a quantidade de memria necessria para armazenar uma instruo. o a ca Conforme mostram as tabelas 4.2, 4.3, 4.4, 4.5 podemos dividir o set completo de instrues dos MSP430 em quatro grupos funcionais: co TABELA 4.2 Instrues de movimentao e manipulao de dados. co ca caINSTRUCAO MOV CLR SWPB PUSH POP BIC BIS DESCRICAO Copia dados da fonte para o destino Apaga o contedo do destino u Troca os bytes do destino armazena dado na pilha Restaura dado da pilha Apaga um ou mais bits do destino Seta um ou mais bits do destino

Nesta arquitetura existem 24 instrues emuladas, isto , no possuem op-codes f co e a sicos na memria, estas instrues operam utilizando o gerador de constantes (CG1 ou o co CG2). Para exemplicar (PEREIRA, 2005) apresenta uma instruo encontrada em praca ticamente todas as arquiteturas de microcontroladores, CLR que faz o apagamento de um registrador. Esta instruo copia o valor 0 para o destino especicado, o que utiliza ca dois operandos (fonte e destino). Utilizando-se o gerador de constantes carregado com o valor especicado (0), temos a utilizao de somente um operado (destino) o que reduz ca o tempo de execuo da instruo e economiza memria do microcontrolador. ca ca o

50 TABELA 4.3 Instrues de controle da CPU. coINSTRUCAO CLRC CLRN CLRZ SETC SETN SETZ DINT EINT NOP DESCRICAO Apaga ag C Apaga ag N Apaga ag Z Seta ag C Seta ag N Seta ag Z Desabilita interrupes co Habilita interrupes co Nenhuma operao ca

TABELA 4.4 Instrues de teste e desvio. coINSTRUCAO BIT CMP TST BR JMP JEQ/JZ JC/JHS JNC/JLO JGE JL JN CALL RET RETI DESCRICAO Teste de bits Comparao ca Testa se igual a zero Desvio absoluto incondicional Salto absoluto incondicional Desvia de diferente ou no zero a Desvia de C=1 ou se maior/ igual Desvia se C=0 ou se menor Desvia se maior ou igual Desvia se menor Desvia se negativo Chamada de sub-rotina Retorno de sub-rotina Retorno de interrupo ca

TABELA 4.5 Instrues aritmticas e lgicas. co e oINSTRUCAO ADD ADDC ADC DADD SUBC SUB SBC INC INCD DEC DECD SXT AND RRA RLC RRC RLA DADC INV XOR DESCRICAO Adio ca Adio com transporte ca Adio do tra