IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONTROLADOR FUZZY USANDO …educatec.eng.br/engenharia/Automacao Industrial/Projeto FUZZY/TCC... · ... famosa pela sua capacidade de realizar ... PCI do cartão

FACULDADE TALENTOS HUMANOS – FACTHUS

CLEITON SILVANO GOULART

IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONTROLADOR FUZZY USANDO O

MICROCONTROLADOR ATMEGA 32

UBERABA – MG

2010




Projeto apresentado á Faculdade Talentos Humanos – Facthus, de Uberaba como parte das exigências para conclusão do curso de graduação em Engenharia Mecânica com habilitação em controle e automação.

Orientador: Prof. Rogério B. Andrade

UBERABA - MG

2010




Projeto apresentado á Faculdade Talentos Humanos – Facthus, de Uberaba como parte das exigências para conclusão do curso de graduação em Engenharia Mecânica com habilitação em controle e automação.

Orientador: Prof. Rogério B. Andrade

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO:

Uberaba, 12 de junho de 2010

BANCA EXAMINADORA

_____________________________________________________________

Prof.º Rogério Bernardes Andrade – FACTHUS

_____________________________________________________________

Prof.º MSc Leandro Aureliano da Silva – FACTHUS

____________________________________________________________

Prof.º Antônio Carlos Lemos Júnior – FACTHUS

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por permitir que o homem pudesse

aprender com a Sua criação, e fazer dela um exemplo para a criação de novas

tecnologias.

Agradeço a minha família, que muito me compreendeu e me auxiliou na

concepção deste trabalho, através de estímulos, força, e apoio de forma

incondicional.

Ao meu coordenador, Rogério, também fica uma homenagem especial,

por muito colaborar com este trabalho, através de idéias, sugestões, críticas e pelo

apoio incondicional.

Agradeço também ao Cláudio, que muito ajudou na confecção da planta

piloto e seus elementos, ao Engº Ivan Trida, que gentilmente contribuiu com seus

conhecimentos e sua experiência na concepção das válvulas de controle da planta

piloto. E aos meus vizinhos em Araxá, pelo apoio com o café e o chá, que tanto

amenizaram o cansaço mental proveniente do árduo trabalho.

“Não existe verdadeira inteligência sem bondade.” Ludwig van Beethoven

RESUMO

A lógica fuzzy (nebulosa), famosa pela sua capacidade de realizar

operações com dados imprecisos, vem se tornando um campo cada dia mais

interessante dentro da inteligência artificial. Sistemas com grande eficiência estão

sendo modelados, algoritmos singulares estão sendo escritos, a lógica fuzzy, é uma

tecnologia nova, porém notável.

Estudar esta tecnologia é um dos objetivos deste trabalho, o qual propõe

uma plataforma de baixo custo, simples, flexível e prática para o desenvolvimento de

aplicações nebulosas. Graças aos avanços na eletrônica, existem hoje no mercado,

microcontroladores com capacidade extremamente notável e custo irrisório.

O controlador desenvolvido envolve além da lógica nebulosa, conceitos

de eletrônica os quais são responsáveis por toda a estrutura física do controlador,

bem como uma interface amigável de operação e controle, disponibilizada pelos

softwares supervisórios.

Palavras Chave: Lógica Fuzzy; Microcontroladores; Supervisórios; Controle;

ABSTRACT

Fuzzy logic, famous for its ability to conduct operations with imprecise

data, is becoming an increasingly interesting field within Artificial Intelligence.

Systems with high efficiency are being modeled, individuals algorithms are being

written, fuzzy logic, is a new technology, but remarkable.

Studying this technology is one of the goals of this work, which proposes a

platform for low cost, simple, flexible and practical for developing Fuzzy applications.

From the advances in electronics, there are in the market today, capable

microcontrollers remarkable and extremely low cost.

The controller involves addition of fuzzy logic, concepts of electronics

which are responsible for all the physical structure of the controller and a user-

friendly operation and control interface, provided by the supervisory software.

Keyword: Fuzzy Logic; Microcontrollers; Supervisory; Control;

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Lógica realizada pelo controle da posição do olho humano. ..................... 16

Figura 2 - EAP do Projeto.......................................................................................... 18

Figura 3 - Arquitetura do Controlador. ....................................................................... 19

Figura 4 - Instrumentação da planta piloto. ............................................................... 21

Figura 5 - Estrutura de Blocos do firmware do controlador. ...................................... 23

Figura 6 - Diagrama de blocos do Cartão de Entradas. ............................................ 24

Figura 7 - Diagrama de blocos do código do cartão de saídas. ................................ 25

Figura 8 - Válvula de Controle. .................................................................................. 26

Figura 9 - Planta Piloto - Finalizada. ......................................................................... 27

Figura 10 – Barramento de comunicação com chave para seleção de slot. ............. 29

Figura 11 - PCI do cartão de entradas, com as trilhas já formadas (cobre) e placa de

fenolite (branco). Vista superior. ................................................................................ 30

Figura 12 - EAP da Fabricação das PCI. .................................................................. 31

Figura 13 - Tela para impressão da máscara de solda. ............................................ 32

Figura 14 - PCI com máscara de solda aplicada. ...................................................... 33

Figura 15 - Cartão de entradas, com alguns componentes já soldados. ................... 34

Figura 16 - Arquitetura do Cartão Principal. .............................................................. 35

Figura 17 - Circuito eletrônico do cartão principal. Folha 1 de 2. .............................. 36

Figura 18 - Circuito Eletrônico do Cartão Principal. Folha 2 de 2. ............................. 37

Figura 19 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de Principal. ............ 38

Figura 20 - Ligação elétrica do visor de feedback. .................................................... 39

Figura 21 - Ligação elétrica do bloco RS-232, camada física. .................................. 40

Figura 22 - Circuito ISP-10. ....................................................................................... 40

Figura 23 - Ligação elétrica do sistema de Reset. .................................................... 41

Figura 24 - Ligação elétrica do cristal. ....................................................................... 42

Figura 25 - Arquitetura do Cartão de Entradas. ......................................................... 43

Figura 26 - Esquema elétrico de uma entrada discreta. ............................................ 44

Figura 27 - Circuito Eletrônico do Cartão de Entradas. Folha 1 de 3. ....................... 45



Figura 30 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de Entradas. ........... 48

Figura 31 - Entrada analógica para sinais de tensão 0-5V. ....................................... 49

Figura 32 - Arquitetura do Cartão de Saídas Contínuas. .......................................... 51

Figura 33 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de saídas. ............... 52

Figura 34 - Circuito Eletrônico do Cartão de Saídas. Folha 1 de 2. .......................... 53

Figura 35 - Circuito Eletrônico do Cartão de Saídas. Folha 2 de 2. .......................... 54

Figura 36 - Circuito de saída analógica. .................................................................... 55

Figura 37 - Exemplos de onda PWM. ........................................................................ 56

Figura 38 - Pinagem do ATMEGA32. ........................................................................ 62

Figura 39 - Estrutura de um sistema automatizado de controle. ............................... 68

Figura 40 - Display LCD 16 colunas x 2 linhas. ......................................................... 70

Figura 41 - Logotipo do supervisório LAquis. ............................................................ 70

Figura 42 - Tela no supervisório LAquis para controle da Planta Piloto. ................... 71

Figura 43 - Conjunto Fuzzy: Temperatura e seus subconjuntos. .............................. 74

Figura 44 - Lógica de Controle Fuzzy. ...................................................................... 75

Figura 45 - Função Triângulo. ................................................................................... 76

Figura 46 - Função Trapézio. .................................................................................... 76

Figura 47 - Regra de Inferência 01 – Causa Simples. ............................................... 77

Figura 48 – Regra de Inferência 02 - Dupla Causa. .................................................. 78

Figura 49 - Defuzificação das Regras 01 e 02. ......................................................... 80

Figura 50 - Comparativo de estratégias de defuzificação. ........................................ 81

Figura 51 - Processamento de Imagens com Lógica Fuzzy. ..................................... 83

Figura 52 - EAP Manutenção de SCF. ...................................................................... 86

Figura 53 - Planta Piloto. ........................................................................................... 87

Figura 54 - Montagem didática do controlador implementado................................... 88

LISTA DE ABREVIATURAS

A/D Ver ADC

ADC Analog Digital Converter - Conversor Analógico-Digital

ALU Arithmetic Logic Unit - Unidade lógica de Aritimética

BSD Berkeley Software Distribution - Distribuição de Software Berkeley

CAM computer Aided Manufacturing – Manufatura Assistida por Computador

CISC Complex Instruction Set Computer - Computador com um conjunto complexo de Instruções

CLP Controlador Lógico Programável

CPU Central Processing Unit - Unidade de Processamento Central

E/S Entrada / Saída

EAP Estrutura Analítica do Projeto

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory - Memória programável somente-leitura, apagável eletricamente

ERP Enterprise Resource Planning – Sistema integrado de gestão empresarial.

F. Máx. Frequência Máxima

HAL Hardware Abstraction Layer - Camada de Abstração de Hardware

IDE Integrated Development Environment - Ambiente de Desenvolvimento Integrado

ISP In-Circuit Serial Programing - Programação Serial no circuito

IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry - União Internacional de Química Pura e Aplicada

LCD Liquid Crystal Display - Display de Cristal Líquido

MCU Microcontrolador

PCI Placa de Circuito Impresso

PCP Planejamento e Controle da Produção.

PID Proporcional, Integral Derivativo

PWM Pulse-Width Modulation - Modulação por largura de pulso

RAM Random Access Memory - Memória de Acesso Randômico

RISC Reduced Instruction Set Computer - Computador com um conjunto reduzido de instruções

RTU Remote Terminal Unit - Terminal de Unidade Remota

SCF Sistema de Controle Fuzzy

SPI Serial Peripheral Interface - Interface Periférica Serial

SRAM Static Random Access Memory - Memória Estática de Acesso Aleatório

TWI I²C - Two Wire Interface - Interface de Dois Fios

UART Universal Synchronous Receiver/Transmitter - Transmissor/Receptor Síncrono Universal

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter - Transmissor/Receptor Síncrono Assíncrono Universal

SUMÁRIO

1 PREFÁCIO ................................................................................................ 13

1.1 Objetivo Geral ........................................................................................... 13

1.2 Objetivo Específico ................................................................................... 13

1.3 Organização do trabalho ........................................................................... 13

2 FUNDAMENTAÇÃO TEORICA SOBRE CONTROLADORES ................. 16

2.1 Princípios de um Controlador .................................................................... 16

3 IMPLEMENTAÇÃO DO CONTROLADOR ................................................ 18

3.1 FASE I - Projeto ........................................................................................ 18

3.1.1 Projeto Básico – Definição de Parâmetros e Arquitetura .......................... 18

3.1.2 Projeto da Planta Piloto ............................................................................ 20

3.2 FASE II – Implementação ......................................................................... 22

3.2.1 Implementação do Controlador ................................................................. 22

3.2.2 Implementação da Planta Piloto ............................................................... 25

4 HARDWARE - ELETRÔNICO ................................................................... 28

4.1 Introdução ................................................................................................. 28

4.2 Arquitetura ................................................................................................ 28

4.3 Fonte de Alimentação ............................................................................... 29

4.4 Microcontrolador e Circuitos Acessórios ................................................... 29

4.5 Placa de Circuito Impresso ....................................................................... 30

4.5.1 Processo Fotográfico ................................................................................ 31

4.6 Cartão Principal ........................................................................................ 34

4.6.1 Arquitetura ................................................................................................ 34

4.6.2 Circuito Eletrônico ..................................................................................... 35

4.6.3 Microcontrolador ....................................................................................... 35

4.6.4 Display de FeedBack ................................................................................ 38

4.6.5 RS-232 ...................................................................................................... 39

4.6.6 ISP-10 ....................................................................................................... 40

4.6.7 Reset ........................................................................................................ 40

4.6.8 Cristal ........................................................................................................ 41

4.7 Cartão de entradas discretas e contínuas ................................................ 42

4.7.1 Arquitetura ................................................................................................ 42



4.7.4 Entradas Discretas .................................................................................... 44

4.7.5 Entradas Contínuas .................................................................................. 49

4.8 Cartão de saídas contínuas ...................................................................... 50

4.8.1 Arquitetura ................................................................................................ 51



4.8.4 Saídas Analógicas .................................................................................... 55

5 MICROCONTROLADORES ..................................................................... 58

5.1 Conceito .................................................................................................... 58

5.2 Características .......................................................................................... 58

5.3 Arquitetura ................................................................................................ 60

5.3.1 Arquitetura RISC ....................................................................................... 60

5.3.2 Arquitetura CISC ....................................................................................... 61

5.4 Microcontrolador Escolhido ....................................................................... 61

5.5 Descrição dos Componentes Internos ...................................................... 62

5.5.1 CPU .......................................................................................................... 62

5.5.2 Sistema de Clock ...................................................................................... 63

5.5.3 Memórias .................................................................................................. 63

5.5.4 Interface JTAG .......................................................................................... 64

5.5.5 Módulos de Entrada e Saída ..................................................................... 64

5.5.6 Conversores Analógicos/Digitais .............................................................. 64

5.5.7 Interrupções .............................................................................................. 64

5.5.8 Timers – PWM .......................................................................................... 65

5.5.9 Comunicação serial .................................................................................. 65

5.5.10 SPI – Interface Periférica Serial ................................................................ 65

5.6 Quadro Comparativo de Recursos ............................................................ 66

6 SISTEMA SUPERVISÓRIO ...................................................................... 67

6.1 Introdução ................................................................................................. 67

6.2 Protocolo MODBUS .................................................................................. 68

6.3 FreeModBus ............................................................................................. 69

6.4 Feedback via LCD .................................................................................... 69

6.5 Supervisório Escolhido ............................................................................. 70

6.6 Tela do Supervisório ................................................................................. 71

7 LÓGICA NEBULOSA ................................................................................ 72

7.1 Sistemas Inteligentes ................................................................................ 72

7.2 Princípios da lógica Fuzzy: Conjuntos Fuzzy ............................................ 72

7.3 A lógica de controle fuzzy ......................................................................... 74

7.3.1 Variáveis Fuzzy ......................................................................................... 75

7.3.2 Bloco de Fuzificação ................................................................................. 77

7.3.3 Bloco de Inferência ................................................................................... 77

7.3.4 Bloco de Defuzificação ............................................................................. 79

7.3.5 Comparativo entre os métodos de defuzificação ...................................... 81

7.4 Utilizações Práticas da Lógica Nebulosa .................................................. 81

7.5 Modelagem de Processos em Lógica Nebulosa ....................................... 83

7.5.1 Modelagem PID ........................................................................................ 83

7.5.2 Modelagem Nebulosa ............................................................................... 83

7.5.3 Manutenção de Sistemas de Controle Fuzzy ............................................ 85

8 PLANTA PILOTO ...................................................................................... 87

8.1 Objetivo da Planta Piloto ........................................................................... 87

8.2 Aplicações da Planta Piloto ....................................................................... 88

8.3 Experimento Prático .................................................................................. 89

9 CONCLUSÃO ........................................................................................... 91

9.1 Dificuldades obtidas .................................................................................. 91

9.2 Resultados Obtidos ................................................................................... 91

9.3 Conclusão Geral ....................................................................................... 92

9.4 Idéias Futuras ........................................................................................... 93

9.4.1 Funções de Pertinência das Variáveis Fuzzy ........................................... 93

9.4.2 Plano de Manutenção ............................................................................... 93

10 REFERÊNCIAS ........................................................................................ 95

APÊNDICE A - FOLHA DE DADOS TÉCNICOS DO CONTROLADOR ................... 97

APÊNDICE B - MEMÓRIA DE CÁLCULO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS ....... 101

APÊNDICE C - VARIÁVEIS NEBULOSAS.............................................................. 104

APÊNDICE D - REGRAS DE INFERÊNCIA ............................................................ 106

APÊNDICE E - CÓDIGOS FONTE DOS MICROCONTROLADORES ................... 107

APÊNDICE F - PLANTA PILOTO – DESENHOS DE REFERÊNCIA ...................... 108

APÊNDICE G - PROTOCOLO SPI - COMUNICAÇÃO ENTRE CARTÕES ............ 112

13

1 PREFÁCIO

1.1 Objetivo Geral

“Projeto de um controlador fuzzy, com uma estrutura simples e de baixo

custo, utilizando tecnologia de microcontroladores.”

1.2 Objetivo Específico

O projeto de um controlador envolve várias fases. Desde a concepção da

arquitetura idealizada para o controlador, até a pesquisa e desenvolvimento de

ínfimos detalhes construtivos. O objetivo apesar de curto em termos de palavras é

extenso em termos de conhecimento, por envolver inúmeras áreas do conhecimento

humano, tais como eletrônica, redes, instrumentação, inteligência artificial, métodos

de programação, engenharia de software, dentre várias outras disciplinas.

Uma aplicação do controlador objeto deste trabalho é formar uma base

que possa servir de desenvolvimento para futuros sistemas de controle nebuloso,

contribuindo desta forma para com outros pesquisadores e desenvolvedores.

1.3 Organização do trabalho

Para um melhor entendimento deste trabalho, ele foi estruturado em sete

capítulos cuja descrição resumida de seus conteúdos estão listadas na seqüência:

INTRODUÇÃO – Contém uma noção introdutória à lógicas de

controle;

IMPLEMENTAÇÃO – Contém uma descrição dos métodos e uma

visão macro do projeto de implementação do controlador fuzzy. As

decisões chaves estão justificadas dentro deste capítulo.

HARDWARE – Contém os aspectos técnicos envolvidos na

concepção eletrônica do controlador.

14

MICROCONTROLADORES – Descreve em maiores detalhes a

definição e estrutura de um microcontrolador, bem como seus

principais recursos.

SUPERVISÓRIO – Neste capítulo está exposta de forma sucinta a

importância de um software supervisório num sistema de controle.

LÓGICA NEBULOSA – Os princípios e o funcionamento da lógica

nebulosa estão descritos neste capítulo. Também são

apresentadas aplicações para a lógica nebulosa.

CONCLUSÃO – Na Conclusão deste trabalho, existem além da

conclusão formal do trabalho, idéias e possíveis melhoramentos a

serem estudados futuramente.

Além dos sete capítulos, este trabalho conta ainda oito Apêndices com

dados e informações que visam complementar o perfeito entendimento do

Controlador como um todo. Segue o conteúdo resumido dos oito apêndices:

APÊNDICE A - FOLHA DE DADOS TÉCNICOS – Contém a folha

de dados técnicos do controlador desenvolvido. Os dados

abrangem tanto os aspectos físicos quanto lógicos do controlador.

O principal objetivo da folha de dados é servir como um guia de

consulta rápida das informações técnicas do Controlador.

APÊNDICE B - CIRCUITO ELETRÔNICO – Neste apêndice está

presente o circuito eletrônico completo do controlador. O

funcionamento dos circuitos estão discutidos no Capítulo 4.

APÊNDICE C – MEMÓRIA DE CÁLCULO – Na memória de

cálculo está todos os cálculos de dimensionamento das grandezas

elétricas / eletrônicas envolvidas no projeto dos circuitos eletrônicos

do controlador.

APÊNDICE D – VARIÁVEIS NEBULOSAS – As variáveis

nebulosas empregadas na lógica de controle da planta piloto, estão

presentes neste anexo, juntamente com suas respectivas funções

de pertinência.

15

APÊNDICE E – REGRAS DE INFERÊNCIA – Estão contidas neste

apêndice todas as regras de inferência utilizadas no controle da

planta piloto.

APÊNDICE F – CÓDIGO-FONTE – Neste apêndice está à listagem

do código fonte do programa dos microcontroladores empregados

no projeto. Todo o código fonte está comentado. As bibliotecas

utilizadas as quais foram desenvolvidas por terceiros, não estão

com o seu código listado, porém sua origem está discutida no

tópico 3.2.1.1.

APÊNDICE G – PLANTA PILOTO – Os desenhos chave da planta

piloto estão presentes neste apêndice, a título de referência, para

uma melhor compreensão da planta piloto.

APÊNDICE H – PROTOCOLO SPI – A comunicação entre os

cartões exigiu a criação de um protocolo de comunicação. Este

protocolo está definido formalmente neste apêndice.

16

2 FUNDAMENTAÇÃO TEORICA SOBRE CONTROLADORES

2.1 Princípios de um Controlador

Controlar um sistema físico significa dominar um equipamento ou um

processo através da leitura constante de alguns estados - variáveis de entrada. O

controlador, com base nas variáveis de entrada deve ser capaz de tomar algumas

decisões, por meio das variáveis de saída, os quais afetam diretamente o

equipamento ou processo.

Os “controladores” ou sistemas de controle automático, como (NISE,

2009) informa, não existem apenas na criação humana, eles também existem na

natureza. No nosso próprio corpo temos vários sistemas de controle independentes

e dependentes uns dos outros. Por exemplo, temos no cérebro humano um pequeno

segmento responsável pelo posicionamento dos olhos. Os olhos fornecem a visão,

porém são posicionados por um determinado número de músculos, cujas contrações

e distensões são minuciosamente reguladas pelo cérebro. O segmento responsável

pelo posicionamento dos olhos recebe de outra parte do cérebro qual o local que ele

deseja “ver”. Com base nesta informação, este segmento calcula a distância

necessária para que os olhos cheguem ao ponto desejado, e com base nesta

distância ele é capaz de determinar a contração/distensão necessária para que os

músculos movam os olhos para aquele ponto. Veja a Figura 1 para uma melhor

visualização da lógica envolvida neste processo.

Figura 1 - Lógica realizada pelo controle da posição do olho humano.

Fonte: Autor.

Posição desejada

Calcula Δd (posição real - posição

desejada)

Calcula ΔT (diferença entre a tensão

real do musculo e a

tensão necessária,)

com base em Δd

Posição real

MÚSCULO

17

Chamamos Controlador o dispositivo capaz de executar este controle. A

lógica a ser empregada no controle determina o tipo de controlador. Dentre os mais

utilizados no âmbito industrial atualmente temos, os controladores PID e os

controladores Fuzzy.1

Para os controladores PID (Proporcional, Integral e Derivativo), se faz

necessário toda uma modelagem matemática do equipamento/processo. O PID

consegue a partir da função de transferência (obtida pelo modelo matemático do

equipamento/processo) determinar o valor ideal para uma determinada saída. Sua

eficiência é comprovada por toda uma modelagem matemática, porém sua grande

desvantagem esta justamente ai, visto que determinados processos são inviáveis de

serem modelados dada a sua complexidade e extensão. Outro agravante são as

interferências os quais devem ser previstas no modelo matemático para garantir a

eficiência do controlador PID.

Os controladores Fuzzy, trazem a grande vantagem na capacidade de

lidar com imprecisões. Conforme (CAMPOS e SAITO, 2004) a lógica clássica

(verdadeiro – falso) falha em descrever os processos naturais, nos quais entre uma

classe e outra não existe uma mudança brusca, deste principio nasceu os conjuntos

fuzzy que permitem uma passagem entre classes menos brusca e ainda permite que

os valores pertençam a mais de uma classe simultaneamente, seria o mesmo que

dizermos que determinado valor está verdadeiro e falso, ao mesmo tempo. Os

controladores fuzzy, utilizam desta lógica para efetuar suas ações. A lógica fuzzy

será melhor discutida no Capítulo 7.

Na indústria, o controlador comumente é um dispositivo composto de

duas partes essenciais, hardware e software. O hardware é a parte física capaz de

trabalhar com os sinais elétricos, pneumáticos, etc. de forma lógica. O software é a

parte abstrata do controlador, isto é o software é o programa o qual o comandará e

utilizará o hardware conforme suas necessidades. O hardware pode ser descrito

como uma ferramenta do software.

1 Os CLPs - Controladores Lógicos Programáveis, não foram incluídos neste texto, em função de sua

operação se basear numa programação a qual prevê todas as possíveis condições. Os CLPs são análogos aos antigos painéis elétricos, de forma que o equipamento não é capaz de definir o percentual necessário para abrir a válvula para que o nível de um tanque estabilize no menos tempo possível, por exemplo. Vários CLPs permitem este controle por já possuir um controlador PID internamente.

18

3 IMPLEMENTAÇÃO DO CONTROLADOR

A implementação do controlador a fim de estabelecer uma ordem

seqüencial e organizada, foi subdividida em fases. Em cada fase houve um foco de

trabalho, de forma a manter a boa execução do projeto.

Todo o projeto foi divido nas fases conforme a EAP – Estrutura Analítica

de Projeto, da Figura 2.

Figura 2 - EAP do Projeto.

Fonte: Autor.

3.1 FASE I - Projeto

3.1.1 Projeto Básico – Definição de Parâmetros e Arquitetura

Na fase de definições de parâmetros foram definidos quais seriam os

parâmetros essenciais que o controlador deverá atender. Esta fase foi a primeira a

ser executada, visto que todas as outras fases dependem diretamente desta fase.

Nesta fase as principais decisões tomadas foram a quantidade necessária

de entradas e saídas, o processador selecionado, e a arquitetura física do

controlador.

A arquitetura física do controlador foi idealizada mediante a utilização de

cartões. Cada cartão é responsável por uma atividade específica, e todos os cartões

são ligados por meio de um único barramento à placa principal. Esta arquitetura

apresenta as vantagens de ser expansível e modularizável. Esta arquitetura também

permite a utilização de „cartões inteligentes‟ que seriam cartões dotados de uma

19

capacidade de processamento. Estes cartões podem comunicar entre si, para a

tomada de ações mais simples, sem a utilização de tempo do processador principal.

O protocolo de comunicação entre os cartões está formalizado no Apêndice H.

Para este projeto foram desenvolvidos, a placa principal, e dois cartões,

um com as entradas discretas e contínuas e outro cartão com as saídas contínuas.

Na Figura 3, temos a arquitetura do barramento, em formato de blocos.

Está representado nesta Figura, os dois cartões desenvolvidos, bem como um

cartão genérico.

Figura 3 - Arquitetura do Controlador.

Fonte: Autor

Um documento de extrema importância elaborado nesta fase foi a folha

de dados, contendo de forma sintética todos os parâmetros que o controlador deverá

atender, em termos físicos e lógicos. A folha de dados se encontra no Apêndice A.

Sobre a IHM (Interface Homem Máquina), foi decidida nesta fase a

presença de um display LCD para informar ao usuário sobre o status do controlador.

Configurações, ajustes nas variáveis, e visualização do estado da planta estarão

disponíveis apenas pelo sistema supervisório, porém o controlador após

configurado, possuirá autonomia de controle do processo.

3.1.1.1 Projeto Eletrônico

O projeto eletrônico, bem como o leiaute das placas de circuito impresso

foram realizados utilizando o software Eagle versão 5.6, desenvolvido pela empresa

CADSOFT, disponível em: http://www.cadsoftusa.com/. No Capítulo 4, temos uma

descrição mais detalhada dos componentes e circuitos empregados no hardware

20

eletrônico. A justificativa de escolha do microcontrolador está presente no Capítulo

5.

3.1.2 Projeto da Planta Piloto

A planta piloto tem por objetivo demonstrar a funcionalidade do

controlador. Em função da lógica de controle (fuzzy) que foi empregada no

controlador. Esta planta deverá possuir média complexidade de controle a ponto de

inviabilizar o controle desta planta por outras lógicas de controle convencionais.

Foi escolhido um sistema multi-variável composto de três tanques, o qual

a saída de fluido de um tanque está diretamente ligado à entrada do próximo tanque.

Desta forma temos três tanques (TQ-101, TQ-102 e TQ-103) ligados em cascata. A

entrada de fluido no primeiro tanque (TQ-01) vem de um reservatório (TQ-201), cujo

nível é controlado em dois estados (cheio, vazio). Este reservatório quando vazio,

uma bomba (BB-01) é acionada e succionará o fluido de um quinto reservatório (TQ-

202). A saída do terceiro tanque (TQ-103) está ligada ao quinto reservatório (TQ-

202). Este quinto reservatório possui também um dreno de nível alto, para garantir a

quantidade máxima de fluído no sistema.

O circuito de controle da bomba é independente do controlador. O

controle deste circuito é realizado mediante lógica de relês. Este controle não será

discutido neste trabalho.

O controle nesta planta é o nível de cada um dos três tanques (TQ-101,

102, e 103) de forma independente. Desta maneira temos como variáveis de

entrada, a diferença entre o SP - set point e o nível real para cada tanque. As

variáveis de saída representam a abertura necessária nas válvulas de controle, de

maneira a estabilizar o sistema. Na Figura 4 temos a planta de instrumentação da

planta piloto.

21

Figura 4 - Instrumentação da planta piloto.

Fonte: Autor.

TQ-01

TQ-02

TQ-03

TQ-05

TQ-00

BB-01

VC-01

VC-02

VC-03

VC-04

LT

101

LT

102

LT

103

LTH

201

LTL

202

DRENO DE

NÍVEL ALTO

Limite de controle do Controlador Fuzzy

PLANTA PILOTO

INSTRUMENTAÇÃO

22

3.2 FASE II – Implementação

3.2.1 Implementação do Controlador

3.2.1.1 Implementação do Software

A implementação do software do controlador e dos cartões de

entrada/saída, foram realizadas em linguagem C através da IDE Eclipse, juntamente

com a biblioteca AVR-LIBC2. Tanto a IDE quanto a biblioteca são de licença pública

e podem ser obtidas gratuitamente.

O código do software foi divido em blocos para facilitar o

desenvolvimento, a manutenção, aperfeiçoamento e aproveitamento de código. Para

possibilitar um desempenho satisfatório do programa pelo MCU escolhido, foram

impostas várias limitações no código. Estas limitações são em grande parte

facilmente expansíveis, e estão bem comentadas no código-fonte dos MCUs.

3.2.1.1.1 Código do Cartão Principal

A arquitetura lógica do software do controlador pode ser vista na Figura 5.

A arquitetura possui um bloco que merecem especial atenção: Lógica Fuzzy.

Temos a biblioteca AVR-LIBC o qual todos os blocos superiores são

construídos sobre ela. Esta biblioteca efetua a interface entre os comandos de

linguagem C e o hardware do MCU.

Na primeira camada temos um bloco essencial, o HAL. O HAL consiste de

uma camada de abstração de hardware. Sua função é definir nomes e macros para

a operação do hardware. Qualquer modificação no hardware deverá ser atualizada

no HAL. Os drivers operam o hardware por meio do HAL, com exceção do driver SPI

e do driver MODBUS, os quais são capazes de operar o hardware diretamente.

Temos os drivers, que são elementos responsáveis por controlar um

recurso específico do MCU. No caso do software do controlador, temos o driver do

display LCD de feedback, o qual foi obtido no site http://extremeelectronics.co.in/,

sob licença pública de uso geral.

2 A biblioteca AVR-LIBC para o sistema operacional Microsoft Windows é distribuído sobre o nome de

WINAVR.

23

Figura 5 - Estrutura de Blocos do firmware do controlador.

Fonte: Autor.

Para o protocolo MODBUS foi utilizada a biblioteca FreeModBus,

disponível em http://freemodbus.berlios.de/. Esta biblioteca possui o suporte ao

protocolo ModBus, para vários dispositivos e sistemas, dentre eles, os

microcontroladores da família AVR. O protocolo ModBus será discutido no Capitulo

6.

Temos o núcleo do controlador, cuja principal função é organizar o fluxo

de informação entre o hardware e as camadas lógicas (protocolos e bloco Fuzzy). O

núcleo do controlador possui uma estrutura extremamente simples, ela consiste de

na execução de um ciclo de instruções.

O bloco “Lógica Fuzzy” é de fundamental importância, pois é neste bloco

que todo o processamento inerente ao controle da planta será processado. Foi

desenvolvido uma biblioteca capaz de efetuar todo o processamento Fuzzy,

biblioteca esta otimizada para os recursos de hardware disponíveis.

HAL – Camada de Abstração de Hardware (Hardware

Abstraction Layer)

Driver LCDDriver RS-232

Driver SPI

Lógica Fuzzy

Fuzificação

Inferência

Defuzificação

Banco de Dados (Variáveis e regras de

inferência)

Núcleo – Gerenciamento Principal

Aquisição de Dados

(Entradas)

Protocolo

MODBUS

AVR-LIBC (Biblioteca intermediária do código com o MCU)

Protocolo Cartões (Entradas/Saídas)

Atribuição de Dados

(Saídas)

HARDWARE

PLACA PRINCIPAL – CONTROLADOR FUZZYESTRUTURA DE BLOCOS DO FIRMWARE

24

3.2.1.1.2 Código do Cartão de Entradas

A Figura 6 apresenta o diagrama de blocos do código do cartão de

entradas. Os blocos presentes são bastante semelhantes aos do cartão principal.

Figura 6 - Diagrama de blocos do Cartão de Entradas.

Fonte: Autor.

O bloco de nível mais superior possui as rotinas necessárias para realizar

a leitura dos dados das variáveis de entrada. Existem diferenças significativas na

leitura de dados discretos, e dos dados contínuos. Para os dados contínuos é

realizada a conversão Analógica – Digital. A conversão é realizada utilizando

mecanismos de hardware disponíveis no controlador escolhido. Sua abordagem em

nível de software está bem detalhada no código-fonte.

3.2.1.1.3 Código do Cartão de Saídas

Na Figura 7 temos o diagrama de blocos do código do cartão de saídas.

Sua estrutura possui blocos em comum aos cartão de entradas. A diferença está

unicamente no controle das saídas ao invés do controle de entradas.


Abstraction Layer)Driver SPI


Entradas Discretas


Entradas Contínuas

HARDWARE

CARTÃO DE ENTRADASESTRUTURA DE BLOCOS DO FIRMWARE

25

Figura 7 - Diagrama de blocos do código do cartão de saídas.

Fonte: Autor.

O cartão de saídas realiza o controle das saídas, em nível PWM. Maiores

informações sobre a lógica PWM estão discutidas no tópico 4.8.

3.2.2 Implementação da Planta Piloto

A planta piloto, em função da sua condição de ferramenta de testes do

controlador, foi construída em escala reduzida, de forma a facilitar o trabalho.

Os tanques foram confeccionados em vidro translúcido com um formato

retangular. O processo de fabricação dos mesmos foi semelhante ao de fabricação

de aquários. O formato retangular dos tanques foi escolhido por permitir uma leitura

do volume de água de forma linear, bem como pelas facilidades de fabricação.

Foram realizados furos para permitir a saída de água na parte inferior, bem como

para o suporte da bóia e do elemento sensor nas laterais dos tanques.

A medição do nível nos tanques foi realizada mediante a confecção de

sensores tipo bóia, o qual o transdutor do sinal é um potenciômetro3 acoplado á

bóia, de forma a permitir a conversão do nível do tanque em sinal elétrico. Os

potenciômetros utilizados foram do tipo rotativo com escala linear. O ângulo de

rotação média dos potenciômetros é de 300°. O ângulo de rotação da bóia é de 90°.

Para que o movimento completo da bóia (tanque vazio até tanque cheio) represente

3 Potenciômetro – elemento elétrico/eletrônico que permite a variação da resistência de forma linear

ou logarítmica. É necessário um deslocamento mecânico para produzir uma variação na sua resistência, este deslocamento pode ser linear ou rotacional.


Abstraction Layer)Driver SPI



Saídas Contínuas (driver PWM)

HARDWARE

CARTÃO DE SAÍDASESTRUTURA DE BLOCOS DO FIRMWARE

26

uma completa variação da resistência disponível no potenciômetro, foi utilizado um

jogo de polias redutoras com relação aproximada de 300:90.

As válvulas de controle foram confeccionadas, o corpo foi baseado num

“T” para tubulação de PVC tipo soldável, temos também uma sede usinada em PVC,

um embolo usinado em aço 1020 com revestimento de cromo duro para evitar

efeitos oxidantes, e um carretel para o suporte do solenóide. O carretel suporte do

solenóide é composto de uma peça usinada em PVC para o contato direto com o

fluido, e um carretel usinado em latão, para melhorar o efeito magnético e ajudar no

arefacimento do solenóide. O solenóide confeccionado em fio #26 num total de 1500

espiras, com alimentação de 0V a 12V. Tem-se ainda dentro do suporte do carretel

uma mola comprimida de forma a fechar a válvula.

Figura 8 - Válvula de Controle.

Fonte: Autor.

O funcionamento das válvulas de controle está baseado na geometria

cônica do êmbolo/sede e no equilíbrio das forças provenientes da compressão da

mola e do efeito magnético oriundo do solenóide. A força da mola é constante, já a

força magnética está em função da alimentação do solenóide, de forma que para

variarmos a abertura da válvula, deveremos variar a alimentação no solenóide.

No Apêndice G deste trabalho, existe o desenho técnico de todas as

peças da válvula para efeitos de referência. O equacionamento matemático do

equilíbrio de forças não foi elaborado de forma proposital. Um dos aspectos positivos

da lógica de controle fuzzy, é a possibilidade de controlar um equipamento sem o

conhecimento do seu modelo matemático.

A planta didática conta ainda com uma estrutura metálica com o único

propósito de servir de suporte para todos os elementos da planta. Como a estrutura

27

da planta não estará sujeita a grandes esforços, e por não fazer parte do foco deste

trabalho, o cálculo de resistência da estrutura não foi elaborado.

Figura 9 - Planta Piloto - Finalizada.

Fonte: Autor.

28

4 HARDWARE - ELETRÔNICO

4.1 Introdução

O hardware existe para dar o suporte físico necessário ao software. A

estrutura física do hardware pode ser decomposta nos seguintes itens:

Suporte Físico;

Circuito de Alimentação;

Microcontrolador e circuitos acessórios;

Circuitos de Entrada;

Circuitos de Saída;

Circuitos de Comunicação;

Todo o esquema eletrônico bem como a memória de cálculo estão

disponíveis nos Apêndices B e C respectivamente. Também está disponível no

Apêndice A uma folha de dados técnicos com as principais características físicas e

lógicas do controlador.

4.2 Arquitetura

Arquitetura de um dispositivo pode ser definida como a construção

principal, isto é, a estrutura ou o esqueleto do controlador subdividida em blocos

funcionais. A arquitetura geral do controlador foi representada na Figura 3. Ela é

composta de um módulo principal, fonte de alimentação e cartões acessórios. Esta

arquitetura permite interligar um número limitado de acessórios de forma a conceber

um sistema de baixo custo facilmente expansível.

O controlador utiliza de um barramento de 12 vias representado na Figura

10, para prover a comunicação entre-cartões. O próprio barramento encarrega de

conduzir alimentação a todos os cartões por meio de 4 vias disponíveis no

barramento (a alimentação disponível pelo barramento é disponível apenas para

circuitos de baixa potência), temos ainda no barramento sete vias para dados sobre

o protocolo SPI e uma linha reservada para uso futuro. Os cartões são interligados

de forma paralela, tendo um único barramento em comum a todos.

A alimentação para os cartões é disponibilizada em dois níveis de tensão

+5V e +12V e duas vias de aterramento, uma para sinais discretos e outra para

29

sinais analógicos. As trilhas de alimentação em cada cartão foram dimensionadas

para a capacidade de corrente específica de cada cartão.

A comunicação entre os cartões possui uma tipologia Mestre-Escravo, o

qual utiliza o protocolo SPI4 sendo as três vias necessárias ao protocolo (MISO,

MOSI, e SCK) e ainda quatro vias para seleção de escravo (Slave Select),

denominadas SSn o qual n é o número do escravo. Em cada cartão, com exceção

do principal é necessário um sistema de seleção de qual via de seleção ele estará

utilizando, para este sistema os cartões acessórios foram providos de uma chave do

tipo dip-swtich.

Figura 10 – Barramento de comunicação com chave para seleção de slot.

Fonte: Autor.

4.3 Fonte de Alimentação

Os circuitos de alimentação do controlador consistem basicamente de

fonte de energia elétrica em corrente contínua com um sinal limpo e sem ruídos.

Neste trabalho empregou-se o uso de uma fonte de alimentação

comercial, do tipo chaveada tipologia ATX, com várias tensões de saída. Esta fonte

é comumente utilizada em microcomputadores. A utilização desta fonte se baseia na

comprovada eficiência da mesma, bem como pela ótima filtragem de ruídos

proporcionada pela fonte.

4.4 Microcontrolador e Circuitos Acessórios

4 Protocolo SPI – Este protocolo está descrito em linhas gerais no tópico 5.5.10.

30

Microcontroladores, são circuitos integrados, com alto nível de integração.

MCUs são comumente denominados micro-computadores. Para o perfeito

funcionamento do MCU, ele necessita de alguns componentes externos, seja para

sua própria proteção, seja para prover um sinal contínuo e estável para o clock do

mesmo. O microcontrolador e os circuitos acessórios serão discutidos no Capítulo 5.

4.5 Placa de Circuito Impresso

Todos os componentes são montados em uma placa de fenolite5 com

faces cobreadas. Este componente possui suas faces recobertas por uma fina

camada de cobre, que é trabalhado de forma a permitir a condução de sinal elétrico

apenas em determinadas “trilhas”. A placa de fenolite é furada em posições

estratégicas de forma a permitir a inserção dos terminais dos componentes

eletrônicos. Estes furos possuem a dupla função de permitir a condução elétrica e a

sustentação dos componentes. Na Figura 11 temos uma placa de circuito impresso,

devidamente pronta, já com o desenho das trilhas elaborado, desenhado na placa,

bem como a placa já corroída.

Figura 11 - PCI do cartão de entradas, com as trilhas já formadas (cobre) e placa de fenolite (branco).

Vista superior.

Fonte: Autor.

5 O fenolite é um material resistente à baixas – médias temperaturas, composto basicamente de

papeis aglomerados por resinas fenólicas.

31

A placa de fenolite com o cobre superficial em forma de trilhas e com as

furações para os componentes devidamente elaboradas chamamos de “Placas de

Circuito Impresso” (PCI). Estas placas são indispensáveis para os dispositivos

eletrônicos e existem vários métodos de fabricação. A função básica de uma placa

de circuito impresso é proporcionar o suporte mecânico dos componentes de um

circuito, bem como sua interligação elétrica.

Figura 12 - EAP da Fabricação das PCI.

Fonte: Autor.

A confecção de PCIs segue o procedimento descritos na Figura 12. A

parte de fabricação das PCIs foi realizada por meio do processo fotográfico o qual

será descrito no item 4.5.1. Este trabalho não entrará no detalhamento de cada

etapa envolvida no processo de fabricação das PCIs, em função de não ser o foco

deste trabalho.

4.5.1 Processo Fotográfico

O método empregado proporciona o menor custo em função da

quantidade, além de ser o método mais recomendável para produção em pequena

escala; para produção em grandes escalas o método de fabricação descrito não é o

viável, porém pode ser utilizado. Para métodos de produção de placas de circuito

impresso em larga escala, existem empresas especializadas no segmento.

32

O desenho das trilhas se fez utilizando o processo serigráfico, tipicamente

conhecido como silk-screen. Neste processo uma tela de poliéster ou nylon

extremamente fina e devidamente preparada é utilizada para permitir a passagem de

tinta apenas no desenho das trilhas. A preparação da tela se resume em aplicar uma

camada de emulsão foto-sensível sobre toda a tela. Após sua secagem, a tela deve

ser sensibilizada utilizando uma fonte luminosa rica em raios ultra-violeta (luz negra,

lâmpada halôgena, etc.) e os fotolitos como máscara. Posteriormente a tela deve ser

revelada, operação realizada pelo simples banho da tela com água. Veja na Figura

13 uma tela já revelada. Note a emulsão já sensibilizada na cor roxa. Os pontos

transparentes permitem a passagem de tinta pela tela, ao contrário dos pontos na

cor roxa que a bloqueiam.

Figura 13 - Tela para impressão da máscara de solda.

Fonte: Autor.

O desenho das trilhas é impresso na placa de fenolite ainda virgem (com

o cobre presente em toda a área superficial da mesma). Ao término do processo

temos a placa de fenolite, com o desenho das trilhas em sua superfície coberta por

cobre. A tinta utilizada para fazer este desenho é uma tinta específica resistente ao

ataque de produtos químicos. Esta tinta é comercializada sob o nome de tinta etch-

resist.

A corrosão da placa se fez através da total imersão da placa de fenolite

em uma solução de cloreto férrico III (conforme nomenclatura IUPAC) popularmente

33

conhecido como percloreto de ferro. Ocorre uma reação química entre o cloreto

férrico III é o cobre exposto na placa. Após este processo temos uma placa de

fenolite com as trilhas de cobre fixadas em sua superfície, o traçado segue

exatamente o desenho feito com a tinta etch-resist.

A furação da placa se fez manualmente utilizando brocas de diâmetro

adequado. Existem também perfuradores adequados para esta tarefa, bem como

mini-fresas já adaptadas para este processo.

No acabamento, utilizou-se o mesmo processo serigráfico para “imprimir”

uma camada de verniz com dupla função, proteger o cobre das trilhas contra a ação

da oxidação e permitir a aderência da solda apenas nos locais corretos. Esta

camada é comumente chamada de máscara de solda. O verniz utilizado nesta etapa

e comercialmente conhecido como solder-resist. Também foi utilizado o processo

serigráfico para imprimir a forma, nome e valores dos componentes na camada

oposta ao cobre a fim de facilitar a montagem da placa. A tinta empregada foi uma

tinta comum sem nenhuma característica especial, na coloração preta. Na Figura 14

temos a placa do cartão de saídas com a máscara de solda aplicada, a tela

empregada para a aplicação desta máscara de solda, é a tela da Figura 13.

Figura 14 - PCI com máscara de solda aplicada.

Fonte: Autor.

Após estas quatro etapas a placa está pronta para a colocação dos

componentes nos seus devidos locais, bem como a solda dos mesmos. Figura 15.

34

Figura 15 - Cartão de entradas, com alguns componentes já soldados.

Fonte: Autor.

4.6 Cartão Principal

O cartão principal contém o módulo principal do controlador. Todas as

decisões e cálculos são realizados por este módulo. São atribuições deste módulo:

Prover o controle e a comunicação entre os cartões;

Prover o cálculo fuzzy;

Fazer interface com o meio externo;

Disponibilizar informações por meio do display de feedback;

4.6.1 Arquitetura

A arquitetura básica do cartão principal pode ser observada na Figura 16.

Temos no cartão principal, dois elementos de comunicação externa, três circuitos

acessórios, e um elemento relativo à alimentação, todos externos ao MCU. O

barramento principal parte interno ao MCU.

35

Figura 16 - Arquitetura do Cartão Principal.

Fonte: Autor.

4.6.2 Circuito Eletrônico

Na Figura 17 e na Figura 18 seguem o esquema eletrônico do cartão

principal. Para um melhor entendimento do circuito eletrônico, o mesmo foi sub-

dividido em blocos funcionais, análogos à arquitetura (Figura 16). A descrição do

funcionamento destes blocos estão presentes nos tópicos seguintes.

4.6.3 Microcontrolador

O MCU escolhido para a placa principal foi o AVR ATMEGA32, fabricado

pela ATMEL. Maiores informações sobre este MCU poderão ser obtida no capítulo 5,

e em (ATMEL, 2009b).

36

Figura 17 - Circuito eletrônico do cartão principal. Folha 1 de 2.

Fonte: Autor.

37

Figura 18 - Circuito Eletrônico do Cartão Principal. Folha 2 de 2.

Fonte: Autor.

38

Figura 19 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de Principal.

Sem Escala. Fonte: Autor.

4.6.4 Display de FeedBack

O display de feedback, consiste num visor de LCD de 2 linhas por 16

colunas cada linha, ligado diretamente ao MCU ATMEGA32, de forma a exibir

eventuais mensagens, podendo ser mensagens de erro ou do status do controlador.

A ligação elétrica do display LCD pode ser visualizada na Figura 20. O resistor

variável R6 serve apenas para estabelecer o contraste do visor LCD. As linhas com

prefixo LCD_ são ligadas diretamente ao MCU. Maiores informações sobre o display

de feedback poderão ser obtidas no tópico: 6.4.

39

Figura 20 - Ligação elétrica do visor de feedback.

Fonte: Autor.

As linhas LCD_D4, LCD_D5, LCD_D6 e LCD_D7 são destinadas para a

transmissão de dados ao display. Já as linhas LCD_RS, LCD_RW e LCD_E são

destinadas para o controlede estado do LCD. Maiores informações sobre o

funcionamento do display LCD podem ser obtidas no código-fonte do driver para

visor LCD.

4.6.5 RS-232

Para a comunicação RS-232, temos o protocolo contido internamente ao

MCU, e uma camada física responsável pela conversão de tensões entre o padrão

RS-232 e as tensões de trabalho do MCU. A ligação elétrica pode ser visualizada na

Figura 21. Este circuito de comunicação se baseia no circuito integrado MAX-232,

fabricado pela empresa MAXIM. Este CI é responsável pela conversão de tensões

entre o padrão RS-232 e outras tensões de trabalho do MCU. O circuito eletrônico

utilizado é idêntico ao circuito recomendado pelo fabricante do MAX-232 contido no

datasheet (MAXIM INTEGRATED PRODUCTS, 2006). As linhas TXD e RXD são

ligadas diretamente ao MCU.

40

Figura 21 - Ligação elétrica do bloco RS-232, camada física.

Fonte: Autor.

4.6.6 ISP-10

O bloco ISP-10 é apenas um terminal de ligação para gravação do

programa do MCU no circuito físico. Este protocolo utiliza 10 vias, e é capaz de

fornecer alimentação ao MCU. Deve ser utilizado juntamente com qualquer gravador

de MCUs compatível com este padrão. Este padrão foi concebido pela Atmel

(Fabricante dos MCUs AVR) e estão detalhadamente descritos no datasheet do

MCU (ATMEL, 2009b). A alimentação provida pelo conector ISP-10 é direcionada a

um LED indicador, de forma que a alimentação principal do controlador deve ser

estabelecida para que haja a gravação dos MCUs. Veja a Figura 22 para o esquema

elétrico do bloco ISP-10.

Figura 22 - Circuito ISP-10.

Fonte: Autor.

4.6.7 Reset

O bloco de reset é responsável por disponibilizar um meio físico de

reiniciar o MCU em caso de eventuais falhas do mesmo, condição denominada de

41

RESET. Além disso, este bloco também possui um sistema para indicação visual da

condição de RESET, por meio de um LED na cor amarelo. Veja na Figura 23 a

ligação elétrica do bloco de Reset.

Figura 23 - Ligação elétrica do sistema de Reset.

Fonte: Autor.

Conforme informações obtidas do (ATMEL, 2009b) do MCU, a linha de

reset externo do mesmo, deve ser mantido em nível baixo para que ocorra a

condição de RESET. Desta maneira foi projetado um resistor configurado como pull-

up6, e utiliza-se uma chave simples para conectar o ponto de reset (linha

RESET_MCU) diretamente ao nível baixo. No momento desta conexão utiliza-se um

LED para indicar a condição de RESET.

4.6.8 Cristal

O cristal é um componente passivo responsável por estabelecer uma

freqüência de operação do MCU de forma extremamente estável. O cristal nada

mais é do que um cristal de quartzo cortado com procedimentos e tamanhos

precisos. Veja na Figura 24 o esquema elétrico do bloco oscilador de cristal.

As linhas XTAL1 e XTAL2 são conectadas diretamente ao MCU.

Existem dois capacitores conectados ao cristal é ao ponto de 0V, sua

função é garantir a estabilidade do cristal e dos circuitos osciladores, internos ao

6 Pull-Up – configuração o qual é utilizado um resistor para estabelecer um nível lógico alto constante

em determinado ponto, em função de existir corrente elétrica neste momento, o resistor não oferece resistência elétrica de maneira que a diferença de potencial entre o ponto desejado e a fonte de alimentação seja zero. Para existir nível lógico baixo neste ponto, é necessário conectá-lo diretamente ao nível lógico baixo, estabelecendo desta maneira uma corrente elétrica pelo resistor. A partir deste momento, aplica-se a lei de Ohm.

42

MCU. Seus valores foram calculados conforme informações contidas na nota de

aplicação (ATMEL, 2008a) e com base na tabela 8-3 de (ATMEL, 2009b).

Figura 24 - Ligação elétrica do cristal.

Fonte: Autor.

4.7 Cartão de entradas discretas e contínuas

O cartão de entradas possui como função básica possibilitar uma entrada

de dados externos dentro do controlador. As entradas externas devem ser

protegidas, e confiáveis. Protegidas para garantir que algum surto elétrico não

provoque danos ao controlador, e confiáveis para garantir a integridade dos dados.

O cartão de entradas desenvolvido, possui 4 entradas discretas e 4

entradas contínuas.

Os parâmetros elétricos e condições de operação, estão descritas no

Apêndice A.

4.7.1 Arquitetura

A arquitetura do cartão de entradas pode ser visualizada na Figura 25.

Os blocos ISP-10, Reset e Cristal 16MHz, também ditos como “Circuitos

Acessórios do MCU”, já foram comentados nos itens: 4.6.6, 4.6.7 e 4.6.8

respectivamente, itens inerentes à placa principal, cujo funcionamento é exatamente

igual para o cartão de entradas.

43

Figura 25 - Arquitetura do Cartão de Entradas.

Fonte: Autor.

Os circuitos de entrada são responsáveis em prover ao MCU um sinal de

entrada externo com as devidas proteções necessárias para garantir a integridade

do MCU. Estas proteções são fundamentalmente dependentes do tipo de sinal

elétrico específico da entrada.

O sinal de entrada pode ser basicamente um sinal de natureza contínua

(analógica) ou natureza discreta (digital).

Sinais de natureza digital são sinais que possuem apenas dois níveis

lógicos: 0 e 1, falso e verdadeiro, ou baixo e alto. Sinais digitais também podem ser

representados pela ausência ou presença de tensão.

Sinais de natureza analógica são sinais que possuem infinitos níveis, isto

é podem assumir infinitos valores dentro de uma faixa de valores. A quantidade de

valores que eles podem assumir dentro de uma faixa é comumente chamada

resolução do sinal. Esta resolução no cartão de entradas é da ordem de 8 bits7, isto

é, seu valor pode assumir 2568 valores distintos. Estes sinais também podem ser de

duas naturezas distintas, sinal de tensão e sinal de corrente. O controlador

desenvolvido possui quatro entradas para sinal de tensão.

7 Representado conforme as convenções da lógica booleana.

8 O número 256 é o maior número possível de se escrever valores com no máximo 8 bits.

MICROCONTROLADORATMEGA8

Cristal 16MHzGeração de Clock para o MCU

SPIComunicação

do barramento

Entradas

Contínuas4 entradas contínuas

semi-protegidas

Entradas

Discretas4 entradas discretas

protegidas

ResetReset manual do MCU

ISP-10Programação do MCU no circuito

AlimentaçãoAlimentação principal dos circuitos

Barramento Principal

Circuitos de EntradaCircuitos acessórios ao MCU

Limites do Cartão de Entradas

44


Na Figura 27, Figura 28 e Figura 29 seguem o esquema eletrônico do

cartão de entradas. Para um melhor entendimento do circuito eletrônico, o mesmo

foi sub-dividido em blocos funcionais, análogos à arquitetura (Figura 25Figura 25). A

descrição do funcionamento destes blocos estão presentes nos tópicos seguintes.


O MCU escolhido para este cartão, foi o AVR ATMEGA 8, da mesma linha

do AVR ATMEGA 32, apenas com menos recursos. Veja o Quadro 1 no tópico 5.6

com o comparativo de recursos.

Maiores informações sobre o ATMEGA 8 podem ser obtidas a partir de

seu datasheet (ATMEL, 2009c).

4.7.4 Entradas Discretas

O controlador é provido de quatro entradas discretas. O circuito eletrônico

típico para as quatro entradas está representado na Figura 26.

Figura 26 - Esquema elétrico de uma entrada discreta.

Fonte: Autor.

45

Figura 27 - Circuito Eletrônico do Cartão de Entradas. Folha 1 de 3.

Fonte: Autor.

46


Fonte: Autor.

47


Fonte: Autor.

48

Figura 30 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de Entradas.


No circuito elétrico da entrada, temos o componente OK1 que é um opto-

isolador. Opto isoladores são úteis para isolar eletricamente dois circuitos, neste

caso ele isola a entrada física do MCU da entrada externa. O opto-isolador utiliza de

um sinal luminoso para prover a conexão dos dois sinais. Sua utilização é justificada

por dois fatores. O primeiro prover a proteção ao microcontrolador. A segunda e

permitir um acoplamento de níveis de tensões diferentes, isto é o microcontrolador

trabalha com uma tensão máxima de 5,5V. Já a entrada digital externa foi projetada

para permitir uma variação de 0V a 24V. (FARCHILD SEMICONDUCTORS, 2004)

O resistor R6 possui a função de limitar a corrente no emissor de luz

(LED) do opto – isolador. O diodo D1 é um diodo de uso geral com a finalidade de

proteger o LED do opto-isolador de uma eventual ligação com polaridade invertida

no borne de ligação.

49

O LED3 possui a função de indicar na placa que aquela entrada está

acionada. Ele trabalha como um feedback na própria placa. O resistor R7 possui a

função de limitar a corrente no LED de feedback.

A linha I_DIG_01 está conectado diretamente ao MCU.

Os valores dos componentes bem como a memória de cálculo dos

resistores está disponível nos anexos deste trabalho.

4.7.5 Entradas Contínuas

O circuito eletrônico típco das entradas de tensão de 0 a 5V segue na

Figura 31.

Figura 31 - Entrada analógica para sinais de tensão 0-5V.

Fonte: Autor.

As entradas analógicas deste controlador possuem apenas proteção

contra picos de sobre-tensões, não possuem nenhuma forma de isolamento entre a

entrada real e o MCU, de forma que estas entradas devem ser tratadas com grande

cautela. A ausência do isolamento elétrico é justificado pelo fator de custo e

disponibilidade comercial de opto-isoladores analógicos.

Os capacitores C4 e C5 possuem a função de filtrar o sinal, contra

eventuais oscilações, de forma a manter o sinal mais estável. Eles também são

capazes de eliminar grande parte dos pequenos ruídos que possam vir a ser

introduzidos no sinal.

O diodo D5 é um diodo de uso geral, com a função de proteger a entrada

contra inversão acidental de polaridade, bem como prover uma proteção contra

sinais alternados.

50

Os diodos D6 e D7 são diodos especiais chamados de diodos Schottky,

cuja principal característica de interesse é a alta velocidade de trabalho. Desta

forma, caso algum pico de alta tensão e duração da ordem de até 4 nano segundos

seja introduzido ao sinal, estes diodos serão capazes de desviar o excesso de

tensão para a fonte de alimentação. (STMICROELECTRONICS, 1999)

O diodo Schottky é um dispositivo que trabalha com baixas tensões e em alta velocidade, segundo um princípio de funcionamento diferente para diodos de junção PN. É fabricado sem a junção PN de costume. Nesse caso, uma barreira fina de metal (de cromo, platina ou tungstênio) é interfaceada com semicondutor do tipo N. Essa forma de confecção propicia, nos terminais, uma tensão de estado ligado muito baixa (cerca de 0,6V) quando há condução. Mais ainda, esse diodo pode desligar muito rapidamente do que o de junção PN, propiciando, portanto, freqüências de chaveamento muito maiores. A corrente de fuga inversa, porém é bem mais alta e a tensão de ruptura inversa é mais baixa, quando comparadas às de um diodo de junção PN. Os diodos Schottky são, portanto empregados como retificadores em aplicações de baixa tensão, em que a eficiência de conversão é muito importante. Eles também são amplamente utilizados em fontes de alimentação chaveadas que operam em freqüências iguais ou maiores do que 20kHz. (AHMED, 2000)

Os diodos Schottky utilizados, foram associados em um circuito chamado

clamping ou ceifador. Neste circuito, são utilizados dois diodos antiparalelos, de

forma a limitar a tensão nos dois sentidos, positivo e negativo. Para utilizar este

circuito são necessários diodos de alta velocidade de condução, proporcionada com

perfeição pelos diodos Schottky. (BRAGA, 2008)

O ponto I_AN_01 está conectado diretamente ao MCU no pino com a

função de conversão analógica-digital.

4.8 Cartão de saídas contínuas

O cartão de saídas contínuas possui como função básica possibilitar uma

saída de dados a partir do MCU. As saídas deste cartão possuem uma natureza

contínua ou em outros termos, analógica. Os circuitos devem garantir que nenhuma

anomalia externa provoque danos ao MCU do cartão, bem como ao MCU do

controlador.

O cartão de saídas desenvolvido, possui 4 saídas contínuas, cujos

parâmetros elétricos estão disponíveis no Apêndice A deste trabalho, na forma de

folha de dados.

51

4.8.1 Arquitetura

A arquitetura básica do cartão de saídas pode ser observada na Figura

32.

Figura 32 - Arquitetura do Cartão de Saídas Contínuas.

Fonte: Autor.

Os blocos ISP-10, Reset e Cristal 16MHz, também ditos como Circuitos

Acessórios do MCU, já foram comentados nos itens: 4.6.6, 4.6.7 e 4.6.8

respectivamente, itens inerentes à placa principal, cujo funcionamento é exatamente

igual para o cartão de entradas e cartão de saídas.

Os circuitos de saída são responsáveis em prover um sinal elétrico

externo, com base no comando do MCU.

Um microcontrolador não é capaz de excitar um motor elétrico, visto que o

motor elétrico necessita de uma elevada corrente de acionamento, além do retorno

de carga indutiva ser capaz de danificar o MCU.

Similarmente aos circuitos de entrada, os circuitos de saída são definíveis

entre saída digital e saída analógica.

Um sinal de saída digital poderá assumir apenas dois valores, tensão, ou

ausência de tensão. Já um sinal de saída analógico, deve ser capaz de representar

uma infinidade de valores dentro de um universo real. Na prática esta infinidade de

valores reais, é limitada. A quantidade de valores num universo real e dita pela

MICROCONTROLADORATTINY2313

Cristal 16MHzGeração de Clock para o MCU

SPIComunicação

do barramento

Saídas

Contínuas4 saídas contínuas

ResetReset manual do MCU

ISP-10Programação do MCU no circuito

AlimentaçãoAlimentação principal dos circuitos

Barramento Principal

Circuitos de SaídaCircuitos acessórios ao MCU

Limites do Cartão de Saídas Contínuas

52

resolução do sinal, o qual é descrita em termos de bits necessários para descrever o

valor propriamente dito.


Na Figura 27, Figura 28 e Figura 29 seguem o esquema eletrônico do

cartão de entradas. Para um melhor entendimento do circuito eletrônico, o mesmo

foi sub-dividido em blocos funcionais, análogos à arquitetura (Figura 25Figura 25). A

descrição do funcionamento destes blocos estão presentes nos tópicos seguintes.


O MCU escolhido para este cartão foi o AVR ATTINY2313, da linha

tinyAVR da ATMEL. Esta linha se caracteriza por possuir MCUs com grande

capacidade e recursos, com tamanho e curso extremamente reduzidos.

Maiores informações sobre o ATTINY 2313 poderão ser obtidas a partir

de seu datasheet (ATMEL, 2009d).

Figura 33 - Placa de Circuito Impresso proposta para o cartão de saídas.


53

Figura 34 - Circuito Eletrônico do Cartão de Saídas. Folha 1 de 2.

Fonte: Autor.

54

Figura 35 - Circuito Eletrônico do Cartão de Saídas. Folha 2 de 2.

Fonte: Autor.

55

4.8.4 Saídas Analógicas

As saídas analógicas típicas do cartão de saídas seguem na Figura 36.

São um total de quatro saídas idênticas.

Figura 36 - Circuito de saída analógica.

Fonte: Autor.

A saída analógica empregada neste cartão baseia seu funcionamento na

lógica PWM – Modulação por Largura de Pulso (Pulse Width Modulation). A lógica

PWM gera um sinal lógico de onda quadrada, cuja duração dos níveis lógicos altos

em relação aos níveis lógicos baixo é controlada pelo MCU. A saída final é a tensão

média deste sinal de onda quadrada.

O controle de um sinal PWM, consiste basicamente em ajustar o ciclo

ativo, o qual é a quantidade de tempo expressa em percentuais que o sinal PWM

fica em nível lógico alto. Quanto maior for o ciclo ativo do sinal, maior será sua

tensão média final. O ciclo inativo, de forma análoga, é o tempo expresso em

percentuais que o sinal permanece em nível lógico baixo. Os ciclos ativos e inativos

são complementares, isto é, sua soma deve ser sempre igual a 100%. A tensão

média final será sempre o mesmo percentual do ciclo ativo, aplicado à diferença de

potencial das tensões de nível alto e baixo.

Por exemplo, considerando que a tensão de nível alto seja 5V; e a tensão

de nível baixo seja 0V. Se o tempo em que o nível lógico baixo for igual ao tempo de

nível lógico alto, então temos um ciclo ativo de 50% do tempo, logo a tensão final

56

será 50% da diferença de tensões do nível lógico alto e do nível lógico baixo, no

caso 2,5V.

Na Figura 37, temos um exemplo mais visual do funcionamento da lógica

PWM. Nesta figura, o primeiro gráfico ilustra um sinal puramente analógico, no

formato de uma senoide, em primeiro plano. No segundo plano, tem as oscilações

do oscilador PWM. No segundo gráfico, temos o sinal equivalente em lógica PWM.

Note que quando o sinal analógico puro está em sua crista de mais alto valor, o sinal

digital está praticamente em nível lógico alto (ciclo ativo próximo a 100%). Já quando

o sinal analógico está em sua crista de mais baixo valor, o sinal digital está com o

ciclo ativo praticamente nulo. Quando o senóide está em seu valor médio em relação

às cristas e vales, o ciclo ativo é 50%.

Figura 37 - Exemplos de onda PWM.

Fonte: http://www.avrfreaks.com.

O componente OK1 mostrado na Figura 36 é um opto – isolador com a

função de proteger e isolar os dois circuitos. (Informações mais detalhadas sobre

opto – isoladores no item 4.7.2).

O resistor R6 possui a função de limitar a corrente no emissor luminoso

do opto – isolador.

Os componentes R8 e Q2 atuam como um driver de corrente. O transistor

Q2 é um transistor tipo Darlington, o qual permite elevadíssimo ganho de corrente, é

está polarizado na configuração de corte/saturação. O transistor escolhido foi

polarizado para trabalhar com uma potência final de 30W, porém o transistor permite

trabalhar com uma potência final de 65W.

57

O LED3 permite um retorno de informação do estado da saída, ele possui

sua corrente limitada por R10.

O diodo D1 é um diodo de uso geral com a função de proteger o transistor

Q2 quando for ligado cargas indutivas na saída. Caso a carga ligada à saída não

seja indutiva, sua presença passa despercebida pelo circuito.

58

5 MICROCONTROLADORES

5.1 Conceito

Microcontrolador (MCU) é um dispositivo lógico (lógica booleana) de alto

nível de integração, isto é, ele integra vários dispositivos e sistemas internamente.

Microcontroladores são também definidos como sendo um computador em escala

reduzida.

O fato interessante nos MCUs são sua capacidade de processar

informações a um custo computacional e financeiro muito baixo. Temos

microcontroladores trabalhando em portões eletrônicos, em central de comando de

veículos eletrônicos, em geladeiras, ar-condicionado, dentre várias outras

aplicações. Temos também os microcontroladores trabalhando no ambiente

industrial, seja nos elementos sensores (transmissores de pressão, de vazão, etc.)

seja nos elementos atuadores (válvulas de controle, etc.), seja nos controladores de

pequeno porte.

Com uma pequena quantidade de componentes externos ao MCU,

podemos realizar grandes feitos

5.2 Características

Cada modelo de MCU possui seus blocos específicos, e cada qual com

suas características específicas. Existem modelos que implementam blocos

complexos, como por exemplo, interface USB, interface wireless, interface ethernet,

dentre vários outros. Porém existem alguns blocos que são essenciais a todo e

qualquer microcontrolador, e também existem aqueles que são encontrados na

grande maioria dos MCUs comerciais.

BLOCOS ESSENCIAIS A UM MCU

Processador (CPU – Unidade de Controle do Processo) contendo

basicamente:

59

o ALU (Unidade de Lógica Aritmética), responsável por todo e

qualquer cálculo aritmético necessário;

o Registro e decodificação de instruções, bloco responsável por

identificar as instruções a serem executadas, bem como a ação

propriamente dita de cada instrução;

o Registradores: são uma memória especial, de altíssima

velocidade e sem capacidade de reter informações na ausência

da alimentação. São utilizados para armazenar informações como

o endereço da memória contendo a última instrução executada;

Memórias:

o EEPROM – Memória não-volátil (capacidade de reter dados sem

a alimentação), e capacidade de escrita/leitura com grande limite

no ciclo de operações. Usualmente utilizada para armazenar

parâmetros do programa;

o FLASH – Memória não-volátil, com capacidade de escrita/leitura

com baixo limite no ciclo de operações, usualmente utilizada para

armazenar o programa principal a ser executado pelo MCU;

o RAM / SRAM – Memória volátil (sem capacidade de reter

informações sem a alimentação do MCU), usualmente utilizado

para armazenar informações como variáveis do programa, em

tempo de execução;

Portas – Blocos responsáveis por prover comunicação com o mundo

exterior ao MCU utilizando entradas e saídas;

BLOCOS COMUMENTE ENCONTRADOS EM MCUS

ADC – Conversor analógico para digital, normalmente associado a uma

porta;

TWI – Interface de comunicação serial a 2 fios. Muito utilizado para

comunicação entre MCUs;

USART – Interface de comunicação serial síncrona/assíncrona utilizada

comumente para comunicação com o mundo exterior, através do padrão

RS-232 ou RS-485, por exemplo;

60

Timers / Contadores – Utilizados para circuitos de tempo, circuitos

PWM, entre várias outras utilidades;

Interrupções – Bloco que provê a interrupção do processamento em

função de um estimulo externo em um pino específico do MCU. Este

bloco, quando ocorre o evento de interrupção, faz com que o

processador mude sua linha de execução para um bloco específico na

memória, para tratar a interrupção. Depois de o processador continua no

local onde parou;

5.3 Arquitetura

Internamente, temos duas arquiteturas bastante diferentes entre si. A

diferença existe na maneira o qual o processador está ligado à memória e ao

barramento principal, além de características construtivas do processador. Temos

atualmente três arquiteturas em desenvolvimento: RISC, CISC e mista (RISC +

CISC) (a arquitetura mista não será abordada em função de sua utilização estar

restrita aos processadores de grande capacidade, o qual foge completamente do

âmbito deste trabalho).

5.3.1 Arquitetura RISC

RISC – Reduced Instruction Set Computer – Computador com Set de

Instruções Reduzidos. O modelo desta arquitetura é antigo, porém apenas

atualmente se tornou viável o desenvolvimento de aplicações nesta arquitetura, visto

que ela requer um hardware avançado para sua execução ser viável. Sua

característica marcante é o fato de possuir em torno de 50 instruções (contra 100 a

300 da arquitetura CISC). Outra característica marcante é o fato das instruções

requerem exatamente o mesmo tempo para serem executadas, desta forma se em

um processador RISC, cada instrução necessita de um ciclo de clock, todas as

instruções disponíveis irão consumir exatos 1 ciclo de clock. Outra característica

marcante de processadores RISC é o elevado número de registradores, de 32 até

500 (contra a média de 4 a 16 da arquitetura CISC).

61

A arquitetura RISC, no passado não era viável, pois as memórias

disponíveis na época eram de baixa velocidade. Na arquitetura RISC as memórias

devem ser de alta velocidade, para que o desempenho geral não seja prejudicado.

A implementação de programas para processadores RISC é mais

complexa, pois não existem instruções prontas para uma só operação, o que não

ocorre em processadores CISC.

A ATMEL atualmente possui em sua linha de fabricação, os

microcontroladores da família AVR, o qual são todos construídos em cima da

arquitetura RISC. Está família de MCUs foi escolhida para o presente projeto,

essencialmente por ser arquitetura RISC, possibilitando assim um excelente

desempenho na função de controlar um processo.

5.3.2 Arquitetura CISC

CISC – Complex Instruction Set Computer – Computador com Set de

Instruções Complexos. O modelo mais utilizado antigamente, em função de não

necessitar de memórias com grande velocidade, para seu ótimo desempenho.

Possui como característica marcante o set de instruções gigantesco, da ordem de

100 a 300 instruções. Nesta arquitetura, em função de suas instruções serem

complexas, o processador CISC, requer um microprograma interno para poder

decodificar estar instruções complexas. As instruções em um processador CISC são

executadas em tempos diferentes, em função da complexidade de cada instrução.

5.4 Microcontrolador Escolhido

O microcontrolador escolhido para este projeto foi o AVR ATMEGA32,

fabricado pela ATMEL. Este microcontrolador possui arquitetura RISC. Esta

característica foi marcante para a escolha. A lógica fuzzy necessita de um

processamento rápido, o volume de dados a serem processados é relativamente

grande, e o processamento propriamente dito é simples perante o processador. A

arquitetura RISC pela sua simplicidade no set de instruções permite a

implementação desta lógica, com eficiência.

62

Figura 38 - Pinagem do ATMEGA32.

(ATMEL, 2009b)

Outro fator marcante na escolha deste MCU são seus periféricos

disponíveis, os quais serão abortados mais detalhadamente no item: 5.5 - Descrição

dos Componentes Internos.

O fator custo financeiro também foi decisivo na escolha deste MCU. Seu

valor de mercado é relativamente baixo, o que faz com que o seu custo-benefício se

torne bastante baixo. Na data de elaboração deste projeto, este MCU, o valor

comercial de varejo estava na faixa de R$ 20,00.

5.5 Descrição dos Componentes Internos

5.5.1 CPU

A CPU (Contol Process Unit – Unidade de Processamento Central) do

ATMEGA 32 é composta na arquitetura RISC, e possui 32 registradores de 8 bits

cada. Sua CPU permite a programação da memória em tempo de execução ( o que

permite a construção de boot-loaders – dispositivos auto-programáveis ). O set de

instruções do ATMEGA32 é composto de 131 instruções, o qual cada uma é

executada durante um único ciclo de clock. Velocidade de processamento máxima

de 16 MIPS (mega instructions per second – mega instruções por segundo) a um

clock de 16MHz.

63

5.5.2 Sistema de Clock

O sistema de clock é necessário para prover ao MCU um sinal estável e

constante, para que a execução das instruções se processe perfeitamente.

O ATMEGA32 permite que o clock seja externo ou interno.

Na modalidade interno, ele trabalha em baixas velocidades da ordem de

1MHz provido por uma rede RC (resistor capacitor) interna e calibrado de fábrica.

Esta modalidade é a modalidade padrão o qual o ATMEGA32 sai de fabrica.

A modalidade externa pode-se ter excitação por cristal, por rede RC, ou

por fonte externa. Na excitação por cristal temos um clock em níveis práticos

perfeito, em função da estabilidade oferecida pelo cristal. Com cristal, o limite de

velocidade do ATMEGA32 é 16MHz. Utilizando redes RC externa é aconselhável

apenas em situações, o qual o consumo de energia seja crítico, e a estabilidade do

MCU não seja crítica. Redes RC são afetadas diretamente por condições externas

como temperatura ambiente. A modalidade de fonte externa é utilizada apenas

quando temos algum oscilador de precisão externo, e quando existe a necessidade

de sincronizar o funcionamento de vários MCUs e/ou memórias externas

simultaneamente.

5.5.3 Memórias

O ATMEGA32 possui:

32k bytes de memória flash, auto-programável (o próprio MCU pode

programá-la) e programável no circuito final (ISP - in-system

programming). Esta memória é não-volátil e seu uso é destinado à

armazenar o programa principal;

1k bytes de memória EEPROM, esta memória é não-volátil e seu uso é

destinado a armazenar valores e parâmetros;

2k bytes de memória SRAM (semelhante à memória RAM). Esta

memória é volátil, e seu uso é destinado à variáveis do programa;

Para as memórias não-voláteis presentes no ATMEGA32, o tempo de

retenção de dados garantido pelo fabricante é de 20 anos a 85º C e de 100 anos a

25º C.

64

O ATMEGA32 também permite trava de software, isto é, uma vez travado,

não é possível apagar ou sobre-escrever o programa existente.

5.5.4 Interface JTAG

Possui interface JTAG para comunicação externa nos moldes na norma

IEEE 1149.1. Esta interface permite controle total do MCU por meio de um

dispositivo externo, bem como realizar debug linha a linha. Esta interface não será

muito comentada neste trabalho, visto que não ocorrerá sua utilização no

controlador.

5.5.5 Módulos de Entrada e Saída

O ATMEGA32 possui no mínimo 32 pinos de entrada/saída configuráveis

via software. Encapsulamentos para soldagem de superfície (SMD) possuem mais

valores de entradas/saídas. Estas 32 entradas e saídas, estão organizadas em 4

portas, a saber: PORTA, PORTB, PORTC e PORTD, com 8 entradas/saídas cada.

Cada pino pode ter uma função específica, que pode ou não ser ativada. Chamamos

estas funções de funções secundárias. Tudo depende do programa em execução.

5.5.6 Conversores Analógicos/Digitais

O ATMEGA32 possui 8 pinos, o quais podem ser configurados como

entradas ADC, isto é como conversores de sinal analógico para digital. A resolução

máxima do ADC do ATMEGA32 é de 10bits por canal. Estas entradas estão

localizadas na PORTA.

5.5.7 Interrupções

O ATMEGA32 possui 21 vetores de interrupção, sendo destes 21, 3

interrupções externas. O restante das interrupções são internas para eventos dos

periféricos, como por exemplo, término de conversão A/D, recebimento de

mensagem pela USART, etc.

65

5.5.8 Timers – PWM

Os timers/contadores, são dispositivos que quando acionados, vão

incrementando um registrador específico a cada ciclo de clock. Pode-se determinar

um valor de comparação, para que ao chegar neste valor, ele gere uma interrupção

específica, ou mesmo acione algum pino específico do MCU. Os timers também

podem ser configurados como PWM.

O ATMEGA32 possui 2 timers de 8 bits e 1 timer de 16 bits. Os timers

disponíveis podem ser configurados como PWM num total de quatro saídas PWM,

de 8 bits cada.

5.5.9 Comunicação serial

O ATMEGA32 possui três módulos de comunicação serial: SPI, TWI e

USART. Os modos SPI e TWI são utilizados como comunicação serial entre MCUs.

A USART é mais robusta e pode perfeitamente ser utilizada para comunicação nos

padrões RS-232 e RS-485, bastando haver uma conversão de tensões entre o MCU

e o meio externo.

5.5.10 SPI – Interface Periférica Serial

A interface SPI – (Serial Peripherical Interface – Interface Periférica Serial)

é uma interface que permite comunicação síncrona de alta velocidade entre

dispositivos. Esta interface foi originalmente concebida para a comunicação dos

processadores com memórias EEPROM, SRAM etc. atualmente, ela pode ser

utilizada para comunicação até mesmo entre MCUs diferentes. (ATMEL, 2009b)

O barramento de comunicação entre a placa principal e os cartões

periféricos do controlador é baseado nesta tecnologia

A interface SPI funciona em modo mestre-escravo, baseada em 3-4 fios.

Temos 2 fios para a transferência de dados propriamente dita, um para recebimento

de dados e outro para o envio de dados. Temos um fio para estabelecer o clock. E

temos um quarto fio para selecionar o escravo. O clock é gerado apenas pelos

66

mestres, e são sempre os mestres que iniciam uma comunicação. Alguns

dispositivos mais modernos, não necessitam do fio de seleção de escravo, porém

isto pode ser implementado via software. (ATMEL, 2009b)

5.6 Quadro Comparativo de Recursos

O Quadro 1 apresenta um comparativo dos principais recursos

disponíveis nos MCUs utilizados neste projeto.

Quadro 1 - Comparativo de recursos de MCUs.

MCU Flash EEPROM SRAM E/S F.

Máx. Vcc A/D Timers ISP PWM SPI TWI UART

ATtiny2313A 2 128 128 18 20 1.8-5.5

-- 3 Sim 4 Sim Sim 1

ATmega32A 32 1024 2048 32 16 2.7-5.5

8 4 Sim 4 1 Sim 1

ATmega8A 8 512 1024 23 16 2.7-5.5

6 4 Sim 3 1 Sim 1

UNIDADES kBytes bytes bytes MHz V

67

6 SISTEMA SUPERVISÓRIO

6.1 Introdução

Sistemas Supervisórios são programas (softwares) utilizados basicamente para a supervisão (o controle e aquisição de dados são realizados pelos CLP's) de processos industriais contínuos, em bateladas ou manufatura discreta. Para tanto, são instalados em microcomputadores conectados a uma rede de comunicação de um ou mais CLP's (controlador lógico programável) ligados a um equipamento, uma máquina ou até mesmo a um processo completo de fabricação. (WIKIPÉDIA, 2010)

Os sistemas supervisórios surgiram para possibilitar um controle maior da

planta/processo. Este controle possibilita um ganho de produtividade, redução de

custos operacionais, controle da qualidade, etc. Os sistemas supervisórios

comumente armazenam os dados do processo em um banco de dados. Este banco

de dados pode ser interligado a vários outros softwares específicos, tais como

softwares CAM, PCP, ERP, etc.

Sistemas supervisórios mais modernos permitem ainda, a supervisão da

planta via INTERNET. Desta maneira, o operador é capaz de tomar conhecimento

do estado da planta bem como decidir por ações a serem tomadas, sem estar

presente no ambiente industrial, apenas acessando a interface do software

supervisório via INTERNET. Vale lembrar que cada empresa adota políticas de

segurança as quais na maioria dos casos não permite ao operador tomar decisões

de forma remota, mas a possibilidade existe.

Na Figura 39, temos a montagem de um sistema automatizado de

controle. Temos inicialmente o processo, e os instrumentos conectados diretamente

ao processo. Os instrumentos são como os “olhos e ouvidos” dos controladores.

Exemplos de instrumentos são os medidores de vazão de temperatura de pressão,

as válvulas de controle, as válvulas solenóides, os atuadores pneumáticos, etc. O

controlador lógico programável – CLP é capaz de obter as informações dos

instrumentos e disponibilizá-las ao nível do supervisório, além de ser capaz de

efetuar o controle automático com base em uma programação já elaborada.

O supervisório comunica-se diretamente ao CLP, e este aos instrumentos.

68

Figura 39 - Estrutura de um sistema automatizado de controle.

Fonte: (VIANNA, BRINGHENTI e MARTINS, 2008)

6.2 Protocolo MODBUS

Modbus é um protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação industrial. Criado na década de 1970 pela Modicon. [...] A Modicon (atualmente parte do grupo Schneider Electric) colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. Por esta razão é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas em Automação Industrial. (WIKIPÉDIA, 2010)

O protocolo MODBUS, em função de sua história, é um dos protocolos de

comunicação industrial mais difundido. Esta foi a principal razão de sua escolha para

o protocolo de comunicação do controlador fuzzy. A maioria dos softwares

supervisórios e CLP‟s comerciais permitem comunicação via protocolo MODBUS, o

que torna o Controlador Fuzzy extremamente flexível.

O protocolo MODBUS possui basicamente duas camadas, a camada de

rede e a camada de aplicação. Para o meio físico, temos três padrões suportados

oficialmente: RS-232, RS-485 e Ethernet.

Os padrões RS-232 e RS-485 são padrões de comunicação serial

síncrona entre dois terminais. Já o padrão ethernet é um padrão de comunicação

69

baseado no envio de pacotes de dados. Dos três o padrão ethernet é o mais robusto

apesar de ser computacionalmente mais caro.

Apesar do protocolo MODBUS e o padrão RS-232 terem sido utilizados

no Controlador Fuzzy, não é o propósito deste trabalho transcorrer em detalhes

ambos padrões. Mais informações sobre o protocolo MODBUS poderão ser obtidas

do site da internet http://www.modbus.org/ o qual é uma organização mantida pelos

fabricantes de equipamentos com o protocolo MODBUS. Para o protocolo RS-232,

existe a norma EIA-RS-232 o qual estabelece o padrão RS-232.

6.3 FreeModBus

A implementação do protocolo MODBUS nos microcontroladores AVR –

ATMEL, foi possível graças à biblioteca FreeModBus. A biblioteca FreeModBus é

uma biblioteca gratuita para o desenvolvimento de equipamentos embarcados com o

protocolo modbus.

A biblioteca é desenvolvida sob licença BSD, o qual estabelece poucas

restrições. A licença BSD permite que o software distribuído sob a licença, seja

incorporado a produtos proprietários.

Maiores informações sobre a biblioteca, bem como sobre a organização

responsável pelo seu desenvolvimento poderão ser obtidas diretamente em

http://freemodbus.berlios.de/ .

6.4 Feedback via LCD

O Controlador possui um display de feedback do tipo visor de LCD. A

função básica deste display na concepção deste controlador é informar ao usuário

sobre o estado geral do controlador. Uma Figura idêntica do display do controlador

pode ser vista na Figura 40.

Exemplos de informações a serem mostradas pelo display de feedback é

sobre a ativação de recursos (protocolo MODBUS, protocolo SPI, etc.), bem como

sobre a disponibilidade de comunicação dos cartões.

70

Figura 40 - Display LCD 16 colunas x 2 linhas.

Fonte: Autor.

Uma diferença básica entre o supervisório e o display de feedback, é que

no supervisório, o usuário poderá interagir com as ações de controle do processo, já

no display de feedback, o usuário somente obterá informações sobre o controlador

propriamente dito. Informações sobre o processo controlado, não serão indicadas no

feedback.

Na programação da placa principal, o envio de informações para o display

é extremamente simples, visto que o programador poderá realizá-la utilizando as

funções de comunicação padrão da linguagem c. (funções printf, fprintf, etc.).

6.5 Supervisório Escolhido

Foi escolhido o supervisório LAquis para os testes. Este supervisório é

desenvolvido pela empresa Leão Consultoria e Desenvolvimento de Sistemas Ltda.

O LAquis, suporta o protocolo MODBUS, possui uma interface totalmente em

português brasileiro. Ele suporta plantas 3D, bem como exporta relatórios para

diversos banco de dados. Veja logotipo do LAquis na Figura 41.

Figura 41 - Logotipo do supervisório LAquis.

Fonte: Software LAquis.

71

6.6 Tela do Supervisório

Para ilustrar o controle da planta piloto, foi desenvolvido uma tela no

supervisório LAquis - Figura 42. Nesta tela, temos basicamente a leitura das

variáveis fornecidas pelo Controlador.

Alterações no set-point de cada tanque podem ser realizadas digitando

diretamente o valor, na caixa de texto SP. O valor real do nível pode ser obtido no

campo PV, em unidades percentuais. O nível na imagens dos tanques acompanha o

nível real dos tanques na planta piloto. A abertura das válvulas está expressa em

termos percentuais.

Figura 42 - Tela no supervisório LAquis para controle da Planta Piloto.

Fonte: Autor.

72

7 LÓGICA NEBULOSA

7.1 Sistemas Inteligentes

O Processo de “pensar” e “decidir” do ser humano apresenta as seguintes características:

Raciocínio – é o processo de inferência a partir de objetivos, fatos e conhecimentos, visando obter possíveis ações. Ele está associado à previsão e ao planejamento.

Decisão – é o processo que, considerando as incertezas e as preferências, escolhe apenas uma ação dentre diversas alternativas, para o problema em questão;

Aprendizagem – é o processo que, a partir dos resultados alcançados por uma decisão, valoriza ou não, no futuro, decisões semelhantes.

Um sistema de inteligência artificial está interessado em modelar e implementar em computadores, programas que possuam uma ou várias dessas características. (CAMPOS e SAITO, 2004)

Os sistemas inteligentes são uma crescente área das tecnologias que

tratam das informações. Os sistemas inteligentes possuem como principal objetivo

“imitar” o comportamento humano de “pensar” e “decidir”. Existem atualmente várias

subdivisões no campo da inteligência artificial, dentre as mais importantes para os

aspectos de controle e automação, temos:

Sistemas Especialistas – Sistemas dotados de um banco de dados de

perguntas e respostas. Conforme o usuário informa as respostas, o sistema

especialista „cerca‟ a possível resposta. O sistema especialista também é capaz de

selecionar as perguntas mais adequadas e mais direcionadas conforme as

respostas são informadas;

Lógica “Fuzzy” (nebulosa) – Sistema que é capaz de avaliar e decidir

qual é a melhor solução com base em valores lingüísticos (quente, frio, morno) ao

invés de valores reais (20°C, 150°C, 45°C), também é famosa pela capacidade de

tratar dados imprecisos;

Redes Neurais – Sistema dotado de várias unidades elementares

(neurônios), que quando em conjunto formam uma rede neural. A idéia de rede

neural vem da analogia com o funcionamento do cérebro;

7.2 Princípios da lógica Fuzzy: Conjuntos Fuzzy

73

Conforme (CAMPOS e SAITO, 2004), os modelos matemáticos de um

processo real, sempre envolvem um número muito grande de incertezas,

decorrentes de duas razões. A primeira decorre da maneira como esses

conhecimentos são extraídos do mundo real, (através de instrumentos, ou mesmo

observação humana), no processo de extração das informações, existem os erros

inerentes ao instrumento, além dos arredondamentos ditos convencionais. A

segunda razão fonte das incertezas está contida na representação do modelo em

uma linguagem matemática e não natural. Na linguagem matemática é necessário

realizar algumas aproximações, alguns sacrifícios em prol da viabilidade de

utilização do modelo.

Partindo da idéia de que a mente humana é capaz de controlar processos

de elevada complexidade sem o conhecimento de seu modelo matemático, nasceu a

lógica “Fuzzy” (Nebulosa). O termo nebuloso advém da capacidade desta lógica em

trabalhar com informações imprecisas, nebulosas. Podemos considerar a lógica

fuzzy como sendo parte da inteligência artificial, visto que ela tenta imitar um

processo da mente humana.

A base desta lógica advém dos trabalhos de (ZADEH, 1965), o qual

estabelece a noção de conjuntos fuzzy, segundo (ZADEH, 1965) [...] um conjunto

fuzzy, [...], é uma “classe” com contínuos graus de pertinência[...] (Tradução do

autor). Isto é, um conjunto fuzzy, é uma classe o qual os elementos estão presentes

com contínuos graus de pertinência dentro de sub-conjuntos. Por exemplo, veja a

Figura 43, temos o conjunto fuzzy temperatura o qual possui os sub-conjuntos: frio,

morno e quente; e os valores estão contidos nestes sub-conjuntos com um grau de

pertinência dentro de cada um deles. Podemos dizer que 20°C pertence aos

subconjuntos FRIO e MORNO com um grau de pertinência de 0,5 em ambos (µfrio =

µmorno = 0,5). Já o valor 35°C possui µmorno = 0,6 e µquente = 0,8. Também pode-se

utilizar de percentagens para expressar os graus de pertinência.

No controlador desenvolvido, o grau de pertinência das variáveis varia de

0 a 255, esta variação tem origem no número de valores possível para um número

de 8 bits, em função das limitações de hardware existentes. A variação mínima entre

graus de pertinência distintos para este controlador é de 3,922 x 10-3. O qual para os

objetivos traçados para este projeto é perfeitamente aceitável.

74

Figura 43 - Conjunto Fuzzy: Temperatura e seus subconjuntos.

Fonte: Autor.

7.3 A lógica de controle fuzzy

Na lógica de controle fuzzy, utilizamos os conceitos dos conjuntos e

subconjuntos fuzzy para estabelecer o controle das variáveis. A lógica de controle

fuzzy, pode ser utilizada tanto em sistemas de malha aberta quanto sistemas de

malha fechada. Temos na Figura 44 o fluxograma da lógica de controle fuzzy.

Existem essencialmente três blocos: Fuzificação, Inferência e defuzificação.

A fuzificação é o processo responsável pela conversão dos valores de

universo real para o universo fuzzy. O bloco de inferência é responsável por analisar

um bloco de regras em sentença lógica, segundo os princípios de trabalho com

conjuntos fuzzy. Na defuzificação temos a conversão do resultado fuzzy para valores

reais.

Note que a lógica de controle fuzzy trabalha com dois universos distintos:

Universo Real e Universo Fuzzy. O universo real, é o universo dos números e

valores exatos, tal qual obtemos dos instrumentos e mesmo da observação humana.

Já o universo fuzzy, é composto pelas variáveis lingüísticas inerentes ao processo

(temperatura quente, fria, etc.). No Universo Fuzzy, existem apenas conjuntos

Fuzzy.

Sub-conjunto

FRIO

Sub-conjunto

MORNO

Sub-conjunto

QUENTE

GR

AU

S D

E P

ER

TIN

ÊN

CIA

VALORES REAIS

°C

Conjunto Fuzzy

TEMPERATURA

0 5 15 20 25 30 35 37 40 50 60

1

0,8

0,6

0,5

0

75

Figura 44 - Lógica de Controle Fuzzy.

Fonte: Autor.

7.3.1 Variáveis Fuzzy

No universo fuzzy, todas as variáveis existentes são ditas variáveis fuzzy,

o qual são nada mais que um conjunto fuzzy, composto de vários subconjuntos

fuzzy. Na Figura 43, temos o exemplo da variável fuzzy Temperatura, ela possui três

sub-conjuntos: frio, morno, e quente.

Para cada subconjunto ou mesmo termo lingüístico fuzzy, temos uma

função matemática o qual retorna o grau de pertinência de um dado valor. Esta

função recebe o nome de função de pertinência. Usualmente as funções mais

utilizadas são a função triângulo e função trapézio, porém e perfeitamente possível

utilizar funções quadráticas. Em cada variável fuzzy, devemos sempre ter uma

função de pertinência para cada termo lingüistíco. No controlador desenvolvido, só

existe a possibilidade de trabalho com funções de pertinência trapezoidais por

razões práticas, a função trapezoidal pode ser expressa em 4 parâmetros, os quais

podem transformá-la numa função triângulo, ou degrau apenas com a modificação

dos parâmetros.

Na Figura 45, temos a função triângulo expressa em parâmetros. Na

Figura 46, temos a função trapézio também expressa em parâmetros. Note que se

Fuzificação

Inferência

Defuzificação

Banco de

Regras

Saída de DadosEntrada de Dados

Un

ive

rso

FU

ZZ

Y

Universo REAL

Regra 01

Regra 02Regra 03Regra ...

76

fizermos os parâmetros b e c iguais na função trapézio, ela se transforma na função

triângulo.

Figura 45 - Função Triângulo.

Fonte: http://www.tede.udesc.br.

Figura 46 - Função Trapézio.

Fonte: http://www.tede.udesc.br.

77

7.3.2 Bloco de Fuzificação

Fuzificação ou nebulização é o bloco funcional dentro da lógica de

controle fuzzy responsável por converter os valores do universo real para o universo

fuzzy. Quando o controlador faz a leitura dos valores na planta, estes estão num

universo de valores reais (0°C, 4,5m³/min, etc.) o bloco de fuzificação, de posse da

função de pertinência dos termos lingüísticos das variáveis, o processo de

fuzificação atribui para cada termo lingüístico fuzzy um grau de pertinência. A

fuzificação se resume na aplicação da função de pertinência para cada termo.

7.3.3 Bloco de Inferência

Após a fuzificação é realizado a inferência, que consistem basicamente

numa série de sentenças lógicas em nível de termos lingüísticos.

As regras de inferência possuem a estrutura SE causa ENTÃO

conseqüência. Tomemos como exemplo a situação da Figura 47. A regra de

inferência diz que se o valor x estiver contido no termo lingüístico A da variável X

então a contribuição da regra será a área AL1 do termo lingüístico C da variável L,

ou em outras palavras, se o grau de pertinência do valor x no termo A for maior que

0, então o grau de pertinência do valor de saída dentro do termo C da variável L

deverá menor ou igual à pertinência do valor x.

Figura 47 - Regra de Inferência 01 – Causa Simples.

Fonte: Autor.

x

Termo A

Variável X

µx

REGRA DE INFERÊNCIA 01:

SE (x ϵ Termo A da variável X) ENTÃO (SAIDA ϵ Termo C Variável L)

Antecedente Consequente

Termo C

Variável L

Área AL1

0 94

Gra

us d

e P

ert

inê

ncia

Valor Universo Real

78

Analisando agora a Figura 48, o qual contém uma regra de inferência com

a estrutura SE causa 1 E causa 2 ENTÃO conseqüência. A regra de inferência

neste formato diz que se o valor y estiver contido no termo lingüístico B da variável Y

e o valor z estiver contido no termo lingüístico C da variável Z então a regra

contribuirá com a área AL2 do termo lingüístico D da variável L. Também pode ser

enunciado: se o grau de pertinência de y no termo lingüístico B for maior que 0 e o

grau de pertinência do valor z do termo lingüístico C for maior que 0 enão o valor de

saída possuirá grau de pertinência inferior ou igual ao menor grau de pertinência

encontrado nas causas, no caso em questão menor ou igual ao grau de pertinência

do valor z.

Figura 48 – Regra de Inferência 02 - Dupla Causa.

Fonte: Autor.

No processo de inferência fuzzy, cada regra sempre retornará uma área,

ou mesmo uma área vazia, justificado pelo fato que não se sabe ainda o valor, se

sabe apenas que o grau de pertinência do valor de saída deve ser menor ou igual a

um determinado valor, logo o valor de saída deverá estar contido em uma área.

Em função das várias regras existentes, poderá haver a sobreposição de

regras, isto é, várias áreas poderão ser unidas para gerar uma única saída. Por está

razão, é mais correto dizer que determinada regra estará contribuindo com uma área

e não definindo um valor de saída. A definição do valor exato de saída é realizada

no processo de defuzificação.

y z

µy

µz

Gra

us d

e P

ert

inê

ncia

Termo B

Variável Y

Termo C

Variável Z

REGRA DE INFERÊNCIA 02:

SE (y ϵ Termo B da variável Y) E (z ϵ Termo C da variável Z) ENTÃO (SAIDA ϵ Termo D Variável L)

ConsequenteAntecedente

Valor Universo Real

Área AL2

Termo D

Variável L

5 149

79

7.3.4 Bloco de Defuzificação

Quando o sistema termina de realizar a inferência, é esperado que o

sistema fuzzy tenha uma localização da localização da melhor saída para o atual

estado do sistema. Esta localização da melhor saída é expressa após a inferência

em termos de área de forma que se faz necessário a operação de defuzificação ou

em outros termos, denebulização.

A defuzificação, se resume em determinar um valor com base numa área.

Existem vários métodos de se obter o valor da melhor saída, dentre os principais e

mais usuais métodos temos, o método dos máximos, o método da média dos

máximos e o método do centróide.

A escolha do melhor método de defuzificação está diretamente

relacionada com a resposta do sistema às variações dos elementos de controle.

7.3.4.1 Método do Máximo (MAX)

O método do Máximo adota o ponto o qual a área resultante da inferência

é máxima. Este método é ineficiente para sistemas sujeitos a possuírem mais de um

máximo no resultado da inferência. Na ocorrência de mais de um máximo, qual o

máximo utilizar?

A vantagem deste método reside no seu custo computacional

extemamente baixo, e na velocidade de processamento mais rápida.

7.3.4.2 Método da Média dos Máximos (MDM)

Adota o valor médio dentre todos os pontos de máximo. Este método

possui um custo computacional relativamente baixo, porém sua desvantagem de

utilização reside na possibilidade de ocorrência de apenas um máximo na área de

resultado. Ocorrendo apenas um máximo, o cálculo da média é falho, nesta situação

o método pode provocar oscilações, tornando o sistema instável.

80

7.3.4.3 Método do centro da área – Centróide (CDA)

Também conhecido, como método do centróide, centro de gravidade ou

de massa. Este método calcula o centro de gravidade da área de resultado da

inferência, através da Equação 01. Suas vantagens residem na grande estabilidade

e menos suscetibilidade a falhas em função do sistema propriamente dito. Estas

razões fizeram com que este método fosse escolhido para o controlador, apesar do

custo computacional.

∑( )

∑ (01)

Onde:

representa o valor da saída no universo real;

representa a pertinência encontrada após a inferência das regras; e

representa o valor da saída, conforme o mapa de saídas.

Considerando um sistema, cujas regras de inferência estejam contidas na

Figura 47 e Figura 48 pode-se ter a defuzificação conforme a Figura 49. O valor de

saída no universo real é o valor q salientado na cor vermelha. A área de saída das

regras de inferência está salientada em vermelho, esta área nada mais é do que a

união das áreas de saída de cada regra individualmente. O método do centróide

localiza o centro de gravidade desta área (salientada em vermelho). Está área é um

exemplo de saída contínua.

Figura 49 - Defuzificação das Regras 01 e 02.

Fonte: Autor.

Valor Universo RealGra

us d

e P

ert

inê

ncia

Termo D

Variável L

4 149

Termo C

Variável L

0 5

Área AL2Área AL1

µzµx

q

DEFUZIFICAÇÃO PELO MÉTODO DO CENTRÓIDE

81

7.3.5 Comparativo entre os métodos de defuzificação

Conforme (GOMIDE e GUDWIN, 1994), no processo de defuzificação,

não existe um procedimento sistemático para a escolha da estratégia de

defuzificação. Cada estratégia possui suas particularidades que são mais ou menos

adequadas a cada processo. Temos na Figura 50 um comparativo do resultado

oferecido pelas três estratégias discutidas neste trabalho. Sendo MAX o método dos

máximos; CDA o método do centróide; e MDM o método da média dos máximos.

Figura 50 - Comparativo de estratégias de defuzificação.

Fonte: (GOMIDE e GUDWIN, 1994)

Os três métodos discutidos apresentam respostas bem próximas, dadas

as mesmas condições no universo fuzzy. A diferença entre uma resposta e outra

muitas vezes é desprezível, a diferença entre os métodos determina principalmente

a estabilidade da resposta do processo de defuzificação, em função do consumo

computacional necessário para o método.

7.4 Utilizações Práticas da Lógica Nebulosa

Os sistemas fuzzy nasceram da idéia de que um operador de uma planta

industrial consegue controlar a mesma sem conhecer o modelo matemático dos

processos inerentes. A mente humana é capaz de associar vários estados a uma

ação de saída. A noção de proporcionalidade também é realizada pela mente

humana de forma quase automática e imperceptível à consciência humana.

82

Em processos o qual o nível de complexidade inviabiliza a modelagem

matemática, é o local ideal para a implementação de sistemas Fuzzy, pela

capacidade desta lógica de trabalhar com sistemas o qual o modelo matemático seja

desconhecido.

Uma das primeiras aplicações de sucesso da lógica fuzzy foi o Metrô de

Sendai no Japão. Em 1987 entrou em operação o metrô de Sendai totalmente

operado através de lógica fuzzy. O controle fuzzy permite ao metrô paradas suaves

no menor tempo levando em consideração a massa variável do metro advinda da

lotação de passageiros. (BAUMKARTEM, ZANDER e ROCHA, 2006)

Um exemplo prático de sucesso da metodologia Fuzzy, é na partida da

plataforma PETROBRAS – XIX (P-19). Sua partida consiste em duas fases. A

primeira utiliza um sistema especialista para o ajuste de válvulas “on-off”. Na

segunda fase, de produção de óleo, foi utilizado um controlador fuzzy multivariável

para controlar as válvulas de controle da plataforma. (CAMPOS e SAITO, 2004).

Uma aplicação da lógica fuzzy proposta por (FO., FO., et al., 2003),

consiste de uma rede nebulosa neural que trabalha em paralelo com um otimizador

determinístico. A rede utilizada é capaz de aprender as decisões numéricas do

otimizador, é funciona como uma espécie de intérprete, traduzindo as decisões

numéricas para uma linguagem mais natural, facilmente compreendida por seres

humanos.

Uma aplicação interessante da lógica fuzzy, distante da lógica de controle

industrial, é o processamento de imagens. O software utiliza da lógica fuzzy para

melhorar o contraste de imagens sem a perda da informação. Temos na Figura 51

uma montagem comparativa, o qual uma mostra a letra A num fundo cuja cor muito

próxima á da letra A, dificultando o entendimento da letra, e a segunda imagem,

mostra a mesma imagem, após o processamento de contraste fuzzy.

Sahai e Waters propõem outra utilização bastante peculiar para a lógica

fuzzy. Eles propõem um sistema de criptografia de dados, baseado em senhas

públicas e privadas. As senhas são geradas com base em elementos biométricos

(impressão digital, íris, etc.). A lógica fuzzy é empregada na geração das senhas a

partir dos dados biométricos. (SAHAI e WATERS, 2005)

83

Imagem sem o processamento de contraste fuzzy.

Imagem com o processamento de contaste fuzzy.

Tentativa 1 do autor em melhorar o contraste com os métodos

convencionais.

Tentativa 2 do autor em melhorar o contraste com os métodos

convencionais.

Figura 51 - Processamento de Imagens com Lógica Fuzzy.

Fonte das imagens: (WOLFRAM RESEARCH, 2010).

Fonte da montagem: Autor.

7.5 Modelagem de Processos em Lógica Nebulosa

7.5.1 Modelagem PID

Na modelagem PID é necessário antes de tudo estabelecer a função de

transferência, o qual consiste de uma função matemática que representa a situação

física de ocorrência na planta. A função de transferência também pode ser entendida

como uma função matemática que expressa uma relação real e aproximada da

variável de entrada com a variável de saída.

De posse da função de transferência, a mesma passa por uma série de

operações matemáticas que extraem a melhor saída com base no valor de entrada.

A grande limitação do controle PID é o aumento exponencial de

complexidade da elaboração da função de transferência, em função do aumento de

complexidade do sistema de controle. O aumento de mais de uma entrada ou mais

de uma saída ou mesmo ambos, também aumenta significativamente à

complexidade de modelagem e de operações na função de transferência.

7.5.2 Modelagem Nebulosa

84

Na modelagem em lógica fuzzy, é necessário estabelecer valores

lingüísticos para cada variável de controle, seja de entrada ou saída. Cada valor real

possui uma pertinência em cada valor lingüístico, de forma que se faz necessário

definir estes graus de pertinência. Também é necessário estabelecer um banco de

regras de inferência o qual são a relação entre os valores lingüísticos das variáveis

de entrada e as de saída. Estas definições determinam diretamente a qualidade do

controle fuzzy, seja pela sua precisão de atuação ou mesmo pelo tempo de

resposta.

Com base nas definições lingüísticas das variáveis e do banco de regras

de inferência, o algoritmo fuzzy pode ser utilizado como uma solução comercial já

existente, como também pode ser implementada uma solução específica para cada

processo.

Conforme (GOMIDE e GUDWIN, 1994) devemos estabelecer

basicamente dois tipos de parâmetros necessários para modelarmos um sistema de

controle fuzzy: parâmetros estruturais e de sintonia. Os parâmetros estruturais

devem ser estabelecidos apenas uma única vez, e deverão ser alterados apenas

com alterações no processo (aumento da produção, pela adição de equipamentos,

por exemplo). Os parâmetros de sintonia devem ser atualizados de tempos em

tempos, bem como é necessário estabelecer um programa de estudo de tais

parâmetros para que o sistema de controle possa sempre estar “sintonizado” no

melhor processo produtivo. Os principais parâmetros estruturais e de sintonia estão

relacionados no Quadro 2.

Quadro 2 - Parâmetros de um sistema de controle fuzzy.

PARÂMETROS ESTRUTURAIS PARÂMETROS DE SINTONIZAÇÃO

Número de variáveis de saída Universo de discurso das variáveis

Número de variáveis de entrada Parâmetros das funções de pertinência, tais como altura, largura ou conjunto suporte

Recursos de operação sobre os dados de entrada (somas, multiplicações, etc)

Ganhos e offset das entradas e saídas

Variáveis lingüísticas

Funções de pertinência parametrizadas

85

Intervalos de discretização e normalização

Estrutura da base de regras

Conjunto básico de regras

Fonte: (GOMIDE e GUDWIN, 1994)

Outro aspecto que deve ser bem comentado é o bloco de regras. As

regras apesar de serem um dos parâmetros estruturais do controlador devem ser

testadas em aspectos de completude, consistência, interação e robustez. As regras

de inferência são responsáveis pela “inteligência” da lógica de controle, de forma

que quanto melhor for a robustez, a interação, a completude, e a eficiência das

regras, mais robusto, e eficiente será o controlador. Gomide e Gudwin propõem a

utilização de ruídos para o teste de robustez das regras, sendo a imunidade a um

certo nível de ruídos uma característica marcante de controladores fuzzy. (GOMIDE

e GUDWIN, 1994)

Conforme as conclusões de (PADILHA, 2001), um sistema fuzzy com os

parâmetros de sintonia pré-configurados, mesmo na presença de algum sistema de

refinamento automático, permite uma redução considerável na quantidade de regras,

bem como uma redução no tempo de busca dos parâmetros de sintonia ideais.

7.5.3 Manutenção de Sistemas de Controle Fuzzy

Após um Sistema de Controle Fuzzy (SCF) estar estruturado e

implementado, deve-se entrar no processo de manutenção do SCF.

A manutenção de um SCF consiste em ajustar o sistema para que o

mesmo possa sempre permitir o melhor desempenho no controle do processo.

Temos na Figura 52 uma EAP proposta para a estabelecer a manutenção de um

SCF.

86

Figura 52 - EAP Manutenção de SCF.

Fonte: Autor.

O ciclo de manutenção de um controlador fuzzy deve ser continuo, para

que o SCF possa se adaptar ao processo e as suas alterações.

Alterações de produtividade no processo como o tempo para realizar uma

tarefa ou mesmo a quantidade de material produzido, podem ser facilmente

alteradas através do ajuste dos parâmetros de sintonia, desde que a planta já

ofereça suporte físico para as alterações.

Alterações física na planta, tais como acréscimo/decréscimo de

equipamentos, torna a manutenção do SCF mais dispendiosa, visto que nestas

situações é necessário ajustar os parâmetros estruturais, as regras e os parâmetros

de sintonia.

Para as alterações mais simples (alterações nos parâmetros de sintonia)

pode-se ser empregado outros sistemas para realizar estes ajustes. Podemos ter,

por exemplo, uma rede neural com algoritmos de aprendizagem, conforme ilustra o

trabalho de Padilha (PADILHA, 2001) o qual mostrou a eficiência da utilização de

uma rede neural capaz de “aprender” ajustando os parâmetros de sintonia.

A eficiência e o desempenho do controlador estão diretamente

condicionados à manutenção oferecida ao mesmo, de forma que estabelecer um

plano de manutenção se torna indispensável para o sucesso do sistema de controle

nebuloso.

87

8 PLANTA PILOTO

8.1 Objetivo da Planta Piloto

A fim de demonstrar funcionalidade do controlador desenvolvido, foi

implementado uma planta piloto. A planta consiste de um sistema composto de três

tanques interligados em cascata, e o objetivo do controle está no nível de forma

individual dos três tanques. Maiores informações sobre a planta poderão ser obtidas

no tópico 3.2.2. Veja Figura 53.

Figura 53 - Planta Piloto.

Fonte: Autor.

RESERVÁTÓRIO

TANQUE

FONTE DE ALIMENTAÇÃO

CONTROLADOR

VÁLVULA DE CONTROLE

88

Para o controlador propriamente dito, foram construidos, um cartão principal,

com o display LCD de retorno, um cartão de entradas e um cartão de saídas. Todas as

placas do controlador foram montadas em uma placa de acrílico, de forma bem visual e

didática. Veja Figura 54.

Figura 54 - Montagem didática do controlador implementado.

Fonte: Autor.

Foi desenvolvido também uma tela de supervisório, para o controle e

extração de dados reais da planta. Maiores informações sobre o supervisório,

poderão ser obtidas no Capítulo 6.

8.2 Aplicações da Planta Piloto

A planta piloto desenvolvida possue carater didático, porém o processo

realizado pela planta pode ser utilizado em vários processos industriais. O sistema

de três tanques em cascata, encontra seus principais exemplos em industrias

químicas.

89

Uma aplicação típica da necessidade do controle do nível num sistema de

tanques semelhante, seria justamente na produção de algum composto, o qual a

concentração de suas matérias primas seja de suma importância para o processo de

forma global. O controle da concentração, pode ser estabelecido pelo controle direto

no nível no tanque. Na produção em nível industrial, podem ser acoplados aos

tanques agitadores, bem como outras entradas (nesta situação, o termo mais

adequado seria reator). Em cada um dos tanques seria acrescido um sub-produto,

de forma que o produto final tenha de circular nos três tanques / reatores.

Outra possível aplicação para o sistema de três tanques interligados em

cascata, seria para tanques de decantação9 e / ou flotação10. Em ambos os

processos ocorrem a separação de fases em misturas. No caso da flotação, o

controle do nível é imprescindivel e a utilização de tanques em cascata permite

utilizar agentes flutuantes cada vez mais concentrados a fim de obter o máximo de

eficiência.

8.3 Experimento Prático

A fim de demonstrar a atuação do controlador, foi realizado um

experimento prático contendo duas interferências simultâneas, de modo a

desestabilizar todo o sistema. O experimento consistiu basicamente do acréscimo

externo de produto no TQ-103, e da alteração abrupta do SETPOINT do TQ-102.

A partir do supervisório, foram extraidos dados necessários para a

montagem dos gráficos. Em função de uma limitação existente no software

supervisório, os dados foram levantados de segundo em segundo. O GRÁFICO 1

apresenta os dados levantados pelo supervisório, perante as perturbações. Estão

representados no gráfico, tanto o nível de cada tanque quanto o SETPOINT de cada

um deles.

9 Decantação: Separação de fases de uma mistura heterogênea por meio da ação da gravidade na

fase mais densa. Processo muito utilizado no tratamento de água e efluentes. 10

Flotação: Separação de elementos numa mistura por meio da adição de um agente flutuante o qual irá criar uma espuma contendo o agente a ser separado. A espuma é separado em células/tanques por meio do transbordamento da espuma. Processo muito utilizado na separação de minério metálico da terra.

90

GRÁFICO 1 - Estado Geral da Planta Piloto mediante Experimentos Práticos.

Fonte: Autor

Para a resposta à alteração do SETPOINT no TQ-102, pode-se notar a

ausência de overshoot justificado pela eficiência da lógica de controle (lógica fuzzy),

a qual recalcula o melhor valor das válvulas de controle, a cada interação. O tempo

de acomodação do nível do TQ-102, é demasiado longo (da ordem de 7-8

segundos), o qual é justificado por uma deficiência física das válvulas de controle,

deficiência esta detectada nestes testes.

A interferência externa analisada, consistiu do acréscimo substancial de

produto no TQ-103, aumento este evidenciado pela ascenção abrupta da curva de

nível do referido tanque. O tempo de acomodação do sistema, mediante esta

interferência, foi demasiado longo, da ordem de 15-16 segundos. O limite de vazão

das válvulas mais uma vez é responsável pelo longo tempo de acomodação.

Um detalhe interessante é a oscilação mais evidente no nível do TQ-101,

após as perturbações. Oscilações estas provenientes dos ajustes no sistema.

20,00%

25,00%

30,00%

35,00%

40,00%

45,00%

50,00%

55,00%

60,00%

65,00%

0 5 10 15 20 25 30

Nív

el (

%)

Tempo (segundos)

Nível-TQ101 SP - TQ101

Nível-TQ102 SP - TQ102

91

9 CONCLUSÃO

9.1 Dificuldades obtidas

No desenvolvimento do controlador, surgiram algumas dificuldades as

quais foram contornadas, segue uma relação dos principais obstáculos bem como

as soluções tomadas:

Controle Fuzzy – a lógica de controle fuzzy, infelizmente não possui

alguma biblioteca que implemente suas funções para microcontroladores. Neste

controlador foi desenvolvido um código simples para efetuar os cálculos fuzzy. O

desenvolvimento desta biblioteca fuzzy, demandou considerável tempo, seja

procurando informações, seja implementando código. Outro aspecto gerador de

grandes dificuldades neste assunto é a escassez de informação técnica a cerca da

lógica fuzzy na linguagem portuguesa.

Microcontroladores Atmel – os microcontroladores da linha AVR da Atmel,

possuem características admiráveis para aplicações deste gênero, porém carecem

de de informações técnicas na língua vernácula. As principais fontes de informações

acerca destes componentes foram obtidas diretamente das folhas de dados, bem

como de algumas notas técnicas do mesmo fabricante. Um aspecto negativo desta

fonte de informações, são justamente os exemplos em linguagem c, os quais são na

sua maioria absoluta implementados para compiladores comerciais da linguagem c,

o que dificulta as vezes até impossibilita o aproveitamento de código em

compiladoes c de domínio público.

9.2 Resultados Obtidos

O projeto do Controlador Fuzzy – Microcontrolador, apesar de trazer

algumas dificuldades, possibilitou a reunião de uma gama de informações técnicas

de várias disciplinas, num só documento. Conhecimentos nas áreas de Elerônica,

Inteligência Artificial, Controle, Programação, dentre várias outras, foram abordadas

ao longo deste trabalho.

A concepção e construção do Controlador Fuzzy, conseguiu seguir um

padrão simples, porém funcional, de forma a constituir um sistema flexível, e

92

dinâmico. Estes atributos fazem deste controlador, uma base de desenvolvimento

interessante, visto que poderão ser desenvolvidos sistemas nebulosos, cartões de

controle, e até mesmo um futuro controlador, com mais recursos e melhor

desempenho.

Este trabalho proporcionou uma nova base para abordagens no tocante

ao controle de sistemas. A lógica nebulosa vem juntamente com os sistemas

clássicos e modernos de controle, formar um conjunto de informações capazes de

controlar os mais variados tipos e naturezas de processos.

Um profissional com o foco em contruir sistemas automatizados deve

possuir conhecimentos nas mais variadas técnicas de controle de sistemas para que

o mesmo possa obter sucesso em qualquer projeto de controle e automação.

9.3 Conclusão Geral

A crescente evolução da tecnologia tem permitido ao homem alçar níveis

de produção tecnológica cada vez mais altos. A lógica fuzzy permite a resolução de

problemas de elevada complexidade, com um custo de desenvolvimento

proporcionalmente desprezível. A lógica fuzzy emprega o mesmo raciocínio utilizado

pelo homem, o raciocínio de resolver um problema sem o conhecer profundamente.

Esta é a característica que permite identificar a lógica fuzzy como uma forma de

inteligência artificial.

As aplicações da lógica fuzzy são inúmeras e talvez incalculáveis. Este

trabalho mostrou uma maneira prática de utilizar a lógica nebulosa para o controle

de máquinas e processos industriais, com recursos de hardware extremamente

simples e limitados, o que proporciona a possibilidade de utilizá-la em grandes

obras, em grandes processos, com uma eficiência garantida.

O controlador desenvolvido permite uma plataforma prática e flexível para

o estudo da lógica nebulosa. Uma plataforma simples e funcional, que poderá servir

de base para futuros estudos, para o desenvolvimento de futuros produtos, entre

outros. O limite da criação está apenas na imaginação.

93

9.4 Idéias Futuras

Durante o processo de pesquisa, implementação e testes do controlador

desenvolvido, surgiram algumas idéias as quais por uma questão de prazos e metas

já estabelecidas, não puderam ser desenvolvidas, porém, ficam presentes estas

idéias para que futuramente elas possam ser desenvolvidas.

9.4.1 Funções de Pertinência das Variáveis Fuzzy

Definir várias funções possíveis de forma paramétrica no software, de

forma que os termos das variáveis fuzzy possam ser armazenados apenas com a

função de pertinência a ser utilizada bem como os parâmetros da mesma.

O hardware do controlador será um grande fator limitante desta idéia, de

forma que o desenvolvimento da mesma deverá acompanhar um estudo do

hardware.

O controlador desenvolvido, implementa apenas uma função trapézio

para variáveis. A função triângulo e a função degrau podem ser expressas pela

função trapézio, de forma que o controlador pode implementar as três funções.

Porém pode-se implementar ainda, com o desenvolvimento desta idéia, funções

quadráticas, a função gaussiana, funções trigonométricas, etc.

A origem desta idéia está contida no tópico 7.3.1.

9.4.2 Plano de Manutenção

Definir um plano de manutenção, manual, semi-automático ou automático

para garantir o sucesso do sistema. Pode-se implementar algoritmos para o controle

dos parâmetros de sintonia, podendo ser de várias abordagens, tais como: utilizando

redes neurais (com ou sem algoritmos de aprendizagem), utilizando algoritmos

genéticos, utilizando outros controladores (fuzzy ou PID), utilizando sistemas

especialistas, etc.

Nesta abordagem do controle dos parâmetros de sintonia, o elemento que

estará controlando os parâmetros, deverá possuir regras-objetivo. Essas regras-

objetivo podem ser, menor tempo possível, menor sobra de material, menor nível de

ruído, menor consumo de corrente elétrica, etc.

94

Pode-se também traçar um sistema de ajuste das regras. O elemento de

controle dos parâmetros de sintonia e das regras deverá estar analisando os dados

do processo, os parâmetros já definidos, e os objetivos (estabelecidos nas regras-

objetivo), e através de uma análise probabilística, estatística ou mista, deverá

estabelecer novas diretrizes para o SCF.

Para a manutenção em nível estrutural, um plano manual é mais

desejado, visto a importância e o impacto dos parâmetros estruturais.

Um outro aspecto da manutenção de um sistema fuzzy, é justamente uma

análise de eficiência dos sensores e atuadores do sistema. Para o perfeito

funcionamento de um sistema fuzzy, os atuadores (traduzem um valor de saída para

uma ação no sistema), devem ter sua eficiência monitorada. Após a realização dos

testes, foi constatado que as válvulas de controle, estão sub-dimensionadas para o

sistema. Para uma eficiência maior, com um tempo de acomodação menor, é

necessário um estudo em torno das válvulas de controle.

A origem destas idéias estão contidas nos tópicos 7.5 e 8.3.

95

10 REFERÊNCIAS

AHMED, A. Eletrônica de Potência. São Paulo: Person Prentice Hall, 2000. ISBN ISBN: 85-87918-03-6.

ATMEL. AVR042: AVR Hardware Considerations. [S.l.]: [s.n.], 2008a.

ATMEL. DATASHEET ATMEGA 32A. [S.l.]. 2009b.

ATMEL. DATASHEET ATMEGA8A. [S.l.]. 2009c.

ATMEL. DATASHEET ATTINY2313A. [S.l.]. 2009d.

BAUMKARTEM, R.; ZANDER, D.; ROCHA, R. Lógica Fuzzy. São Leopoldo: UNISINOS - Universidade do Vale do Rio dos Sinos, 2006.

BRAGA, N. C. Diodos Schottky na proteção contra transientes. Saber Eletrônica, n. 427, Agosto 2008.

CAMPOS, M. M. D.; SAITO, K. Sistemas Inteligentes em Controle e Automação de Processos. Rio de Janeiro: Editora Ciência Moderna Ltda., 2004. ISBN ISBN: 85-7393-308-9.

FARCHILD SEMICONDUCTORS. DATASHEET TIL113. [S.l.]: [s.n.], 2004.

FO., D. S. et al. Interpretação Lingüística da operação ótima de uma usina hidroelétrica através de redes neurais nebulosas adaptáveis. Revista Controle & Automação, 14, Julho, Agosto e Setembro 2003.

GOMIDE, F. A. C.; GUDWIN, R. R. Modelagem, Controle, Sistema e Lógica Fuzzy. SBA Controle e Automação, 4, Setembro-Outubro 1994.

LIMA, M. M. P.; MURARI, C. A. F.; PEREIRA, M. A. Uma nova metodologia para fluxos de carga fuzzy. Revista Controle e Automação, 14, Jan, Fev, e Mar 2003.

MAXIM INTEGRATED PRODUCTS. DATASHEET - MAX220-MAX249. Sunnyvale. 2006.

NISE, N. S. Engenharia de Sistemas de Controle. Tradução de Fernando Ribeiro da Silva. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

PADILHA, P. C. C. Desenvolvimento de uma metodologia de sintonia de controladores fuzzy utilizando redes neurais. Aplicações em processos petroquímicos. Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2001.

96

SAHAI, A.; WATERS, B. Fuzzy Identy-Based Encryption. [S.l.]: [s.n.], 2005.

STMICROELECTRONICS. DATASHEET BAT 49. 1ª Edição. ed. [S.l.]: [s.n.], 1999.

VIANNA, W. D. S.; BRINGHENTI, P. M.; MARTINS, L. D. S. Sistema SCADA Supervisório. Campos dos Goytacazes - RJ: Instituto Federal Fluminense de Educação Ciência e Tecnologia, 2008.

WIKIPÉDIA. Modbus. Wikipédia, a enciclopédia livre, 2010. Disponivel em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Modbus>. Acesso em: 21 maio 2010.

WIKIPÉDIA. Sistema Supervisório. Wikipédia, 2010. Disponivel em: <http://pt.wikipedia.org/wiki/Sistema_supervisório>. Acesso em: 24 maio 2010.

WOLFRAM RESEARCH. Fuzzy Logic: Example 9: Image Processing. Wolfram Research, 2010. Disponivel em: <http://www.wolfram.com/products/applications/fuzzylogic/examples/processing.html>. Acesso em: 25 maio 2010.

ZADEH, L. A. Fuzzy Sets. University of California. Berkeley - California. 1965.

97

APÊNDICE A - FOLHA DE DADOS TÉCNICOS DO CONTROLADOR

CONTROLADOR FUZZY - MICROCONTROLADO


FOLHA DE DADOS TÉCNICOS

1 CONTROLADOR 1.1 Arquitetura: Cartões com barramento

1.2 Número máximo de cartões: 4

1.3 Alimentação: 5V / 12V (corrente contínua)

1.4 Comunicação com o meio externo: RS-232 diretamente da placa principal

1.5 Protocolo de comunicação disponível MODBUS - Slave

1.6 Identificação do cartão 0xA0 / 0d10

1.7 PROTOCOLO MODBUS

1.7.1 Arquitetura de Comunicação RTU

1.7.2 Meio Físico RS-232

1.7.3 BaudRate 9600

1.7.4 Paridade Even

1.7.5 Nº de Bits 8

1.7.6 Bits de parada 1

1.7.7 Endereço Inicial 1000

2 BARRAMENTO 2.1 Barramento prové alimentação: Sim

2.2 Protocolo do barramento: SPI master/slave

2.3 Qtde. limite de masters: 1

2.4 Qtde. limite de slaves: 4

3 PLACA PRINCIPAL 3.1 Microcontrolador principal: AVR ATMEGA32 - ATMEL

3.2 Qtde de bits do processador: 8 bits

3.3 Feedback: Display LCD 16x2

3.4 Comunicação: RS-232

3.5 Barramento: SPI master

3.6 Aliimentação / Potência 2 W - máx @ 5V

4 CARTÃO ENTRADAS 4.1 Microcontrolador: ATMEGA 8A


4.3 Feedback: Led por entrada discreta

4.4 Barramento: SPI slave

4.5 Qtde. de entradas discretas: 4 entradas

4.6 Qtde. de entradas continuas: 4 entradas

4.7 Alimentação / Potência 1,5 W máx @ 5V

98




4.8 ENTRADAS DISCRETAS

4.8.1 Isolamento optico: Sim

4.8.2 Tensão de Isolamento: 1000V

4.8.3 Impedância: 1k

4.8.4 Tensão máxima: 24V

4.8.5 Proteção contra inversão de polaridade: Sim

4.8.6 Feedback: Sim

4.9 ENTRADAS CONTINUAS

4.9.1 Isolamento optico: Não

4.9.2 Tensão de Isolamento: -

4.9.3 Impedância: -

4.9.4 Range de tensão: 0 - 5V

4.9.5 Range de corrente: não aplicável


4.9.7 Feedback: Não

5 CARTÃO SAÍDAS 5.1 Microcontrolador: ATMEGA8A


5.3 Feedback: Led por saída contínua

5.4 Barramento: SPI slave

5.5 Qtde. de saídas discretas: 0 saídas

5.6 Qtde. de saídas continuas: 4 saídas

5.7 Alimentação / Potência 2 W máx @ 5V / 140 W máx @ 12V

5.8 SAÍDAS DISCRETAS

5.8.1 Isolamento optico: -

5.8.2 Tensão de Isolamento: -


5.8.4 Tensão máxima: -

5.8.5 Proteção contra inversão de polaridade: -

5.8.6 Feedback: -

5.9 SAÍDAS CONTINUAS

5.9.1 Isolamento optico: Sim

5.9.2 Tensão de Isolamento: 1000 V


5.9.4 Range de tensão: 0 - 12V

5.9.5 Range de corrente: 0 - 2 A (corrente contínua)


5.9.7 Feedback: Sim - Led

5.9.8 Proteção para cargas indutivas: Sim

5.9.9 Corrente de pico: 3A

6 LÓGICA FUZZY 6.1 Nº máximo de variáveis linguisticas

99




6.2 Nº máximo de termos por variável 5

6.3 Nº Máximo de regras de inferência 20

6.4 Funções de pertinência disponíveis Triangulo e Trapézio

6.5 Intervalor de pertinência ([0..1]) 0..255

6.6 Menor valor de pertinência disponível 0,003937008

7 ENDEREÇOS MODBUS

7.1 SLOT - 01 Cartão de Entradas

Descrição Endereço

Tamanho Suporte a escrita

Observação Decimal Hexadecimal

7.1.1 Entrada Digital 0 1000 3E8 16 bits Não

7.1.2 Entrada Digital 1 1001 3E9 16 bits Não

7.1.3 Entrada Digital 2 1002 3EA 16 bits Não

7.1.4 Entrada Digital 3 1003 3EB 16 bits Não

7.1.5 Entrada Analógica 0 1004 3EC 16 bits Não

7.1.6 Entrada Analógica 1 1005 3ED 16 bits Não

7.1.7 Entrada Analógica 2 1006 3EE 16 bits Não

7.1.8 Entrada Analógica 3 1007 3EF 16 bits Não

7.2 SLOT - 02 Cartão de Saídas




7.2.1 Saída PWM 0 1008 3F0 16 bits Sim




7.2.5 - reservado - 1012 3F4 16 bits Sim




7.3 SLOT - 03 Slot Vazio




7.3.1 - reservado - 1016 3F8 16 bits Não

7.3.2 - reservado - 1017 3F9 16 bits Não

7.3.3 - reservado - 1018 3FA 16 bits Não

7.3.4 - reservado - 1019 3FB 16 bits Não

7.3.5 - reservado - 1020 3FC 16 bits Não

7.3.6 - reservado - 1021 3FD 16 bits Não

7.3.7 - reservado - 1022 3FE 16 bits Não

7.3.8 - reservado - 1023 3FF 16 bits Não

100




7.4 SLOT - 04 Slot Vazio




7.4.1 - reservado - 1024 400 16 bits Sim








7.5 CONFIGURAÇÕES




7.5.1 Modo de operação 1032 408 16 bits Sim

0=Controle Fuzzy 1=Controle Manual

101

APÊNDICE B - MEMÓRIA DE CÁLCULO DOS CIRCUITOS ELETRÔNICOS

CONTROLADOR FUZZY – MICROCONTROLADO CLEITON SILVANO GOULART

Memória de cálculo eletrônico do circuito: CIRCUITO DE RESET

Circuito Eletrônico Cálculo

Data: 23/05/2010


Memória de cálculo eletrônico do circuito:

Circuito Oscilador a Cristal

Circuito Eletrônico Cálculo

Data: 23/05/2010

Chave S1 Aberta Fechada

V V5,000 V5,000

R R180,000 R180,000

I (R2) - A0,028

P - W0,139

RESET_MCU V5,000 V0,000

LED2 Apagado Acesso

C1, C2 22pF

C2 22pF

Q1 16MHz Conforme limite do MCU

Conforme tabela 8-3 do datasheet

(ATMEL, 2009b)

102


Memória de cálculo eletrônico do circuito: Entrada Discreta Típica

Circuito Eletrônico

Cálculo

Data: 23/05/2010

ddp (X2-1/X2-2) V5,000 V12,000 V24,000

R6 R1000,000 R1000,000 R1000,000

I (R6) A0,005 A0,012 A0,024

P (R6) W0,025 W0,144 W0,576

V (LED3) V4,300

V (R7) V3,600

R7 R220,000

I (R7) A0,016

P (R7) W0,059

103


Memória de cálculo eletrônico do circuito: Saída Analógica Típica

Circuito Eletrônico

Cálculo

Data: 23/05/2010

V (O_PWM_01) V5,000

V (R6) V4,300

R6 R180,000

I (R6) A0,024

P (R6) W0,103

V (OK1 - Pino 5) V5,000

V (OK1 - Pino 4) V4,300

V (LED 3) V3,600 V (R8) V3,600

V (R10) V3,600 R8 R1500,000

R10 R330,000 I (R8) A0,002

I (R10) A0,011 P (R8) W0,009

P (R10) W0,039 I (Q2 - base) A0,002

I (LED 3) A0,011 beta (Q2) 1000

P (LED 3) W0,039 I (Q2 - coletor) A2,400

V (X2-1) V12,000

V (Q2 - coletor) V12,000

P (Q2 - coletor) W28,800

104

APÊNDICE C - VARIÁVEIS NEBULOSAS

105

106

APÊNDICE D - REGRAS DE INFERÊNCIA

107

APÊNDICE E - CÓDIGOS FONTE DOS MICROCONTROLADORES

1)

108

APÊNDICE F - PLANTA PILOTO – DESENHOS DE REFERÊNCIA

109

110

111

112

APÊNDICE G - PROTOCOLO SPI - COMUNICAÇÃO ENTRE CARTÕES

I. OBJETIVOS:

O objetivo deste protocolo é estabelecer as normas e diretrizes para a

comunicação entre os cartões do Controlador Fuzzy – Microcontrolador;

II. DISPOSIÇÕES INICIAIS

O protocolo de comunicação entre os cartões possui as seguintes

disposições, como premissas iniciais e imutáveis:

Todo o fluxo de informação é gerenciado pelo cartão mestre;

O fluxo de dados inicial ocorre apenas em um sentido: do mestre

para os escravos;

III. ARQUITETURA:

O protocolo de comunicação entre os cartões é baseado nas camadas

conforme ___________.

A primeira camada, a camada física, utiliza como meio o protocolo SPI,

idealizado e fabricado pela ATMEL. A maioria dos microcontroladores

fabricados pela ATMEL possui o protocolo SPI já embarcado. Em alguns

MCUs, o sistema de comunicação é o USI, o qual poderá ser configurado

para comportar como o protocolo SPI.

i. CAMADA 1 – Meio Físico – Protocolo SPI

O protocolo SPI é um protocolo mestre-escravo (master-slave), e full-

duplex. Características que permitem alto desempenho e confiabilidade

na transmissão de dados. Ele necessita de 4 vias de comunicação a

saber:

MISO – Master In Slave Out – Entrada do Mestre e Saída do

Escravo

MOSI – Master Out Slave In – Saída do Mestre e Entrada do Slave

SCK – Source Clock – Clock de sincronização

SS – Slave Select – Seleção de Escravo

113

O funcionamento se baseia no deslocamento de bits, sincronizados pelo

mestre. O mestre disponibiliza uma fonte de clock indiispensável para a

comunicação, linha SCK. Apenas o mestre é capaz de gerar o clock nesta

linha. Os dados são transmitidos pelas linhas MISO e MOSI. A cada sinal

de clock, um bit é transportado do mestre para o escravo através da linha

MOSI, e um bit é transportado do escravo para o mestre pela linha MISO.

A comunicação é totalmente controlada pelo mestre. Ele fornece o sinal

de clock é seleciona qual/quais escravos deverão responder através da

linha SS.

Maiores informações sobre o protocolo SPI poderão ser obtidas

diretamente do datasheet do ATMEGA32 (ATMEL, 2009b).

ii. CAMADA 2 – Driver de dados

A segunda camada do protocolo é composta pelos drivers. Existem

basicamente dois drivers, um para o mestre e um para o escravo.

Ambos os drivers possuem a função SPI_INIT() responsável pela

inicialização do sistema SPI no MCU.

No driver mestre, temos ainda a função SEND_SPI() responsável por

enviar os dados conforme as diretrizes deste protocolo.

No driver escravo, temos a função LER_SPI() responsável por efetuar a

leitura dos dados, e separar as informações em um buffer específico,

disponibilizado pelo driver. O MCU fica responsável por efetuar a leitura

do buffer, bem como o seu processamento.

IV. SISTEMA DE COMANDOS

Toda a comunicação entre os cartões e realizada por meio de comandos

enviados pelo mestre é respondidos pelo escravo. Os comandos

possuem a estrutura descrita conforme em _______

Comando - CMD Parâmetro 1 –

PARAM 1

Parâmetro 2 –

PARAM 2

Fim de linha –

EOL

Tamanho: 1 byte Tamanho: 1 byte Tamanho: 1 byte Tamanho: 1 byte

114

Durante o envio de cada comando, a resposta enviada pelo escravo11 é

desconsiderada. Após o envio de cada comando, o mestre enviará ao

escravo um comando específico para verificar se a resposta está pronta.

O mestre irá realizar esta pergunta um número limitado de vezes.

(limitado pela definição SPI_TEMPO).

No momento da resposta positiva por parte do escravo, o mestre enviará

o comando SPI_VAL_8 para que o escravo saiba que na próxima

comunicação do mestre ele deverá enviar a resposta ao comando.

V. LISTGEM DE COMANDOS

Segue na tabela _____ uma relação com o nome dos comandos

disponíveis, bem como o seu valor hexadecimal e decimal e a sua

descrição.

COMANDO VALOR

DESCRIÇÃO hexadecimal decimal

SPI_EOL A0 160 Definição de Fim de Linha

SPI_BOL AF 175 Definição de Começo de Linha

SPI_SEND_CMD A1 161 Próximo dado é comando

SPI_SEND_P1 A2 162 Próximo dado é Param 1

SPI_SEND_P2 A3 163 Próximo dado é Param 2

SPI_SEND_RES_OK A4 164 Resposta Pronta

SPI_SIM FA 250 SIM

SPI_NAO FB 251 Não

SPI_TIMEOUT FC 252 Fim de Tempo.

SPI_VAL_8 FD 253 Envie valor de 8 bits

SPI_CMD_TEST 10 16 Chamada de teste. Deve retornar a soma de Param1 e Param2.

SPI_R_TEST 09 9 Resposta ao comando de teste.

SPI_CMD_GET_VAR 12 18 Pedido de variável em Param1

SPI_R_GET_VAR 11 17 Resposta de variável Param1 em Param2

SPI_CMD_SET_VAR 20 32 Define uma variável em param1

SPI_R_SET_VAR 21 33 Resposta da variável solicitada em Param1 em param2

11

Deve ser lembrado que a comunicação estabelecida entre os cartões está em regime full-duplex, de modo que cabe a cada unidade interpretar a resposta da outra unidade.

115

VI. CARTÕES ESCRAVOS - VARIÁVEIS DO BUFFER

Os cartões escravos, disponibilizam as informações recebidas do mestre

em um conjunto de variáveis doravante denominados buffer SPI. Este

buffer é composto de algumas variáveis que são processadas mediante a

execução da função LER_().

NOME DA VARIÁVEL TIPO DA

VARIÁVEL DESCRIÇÃO

SPI_BUF_Cmd; unsigned char Comando recebido

SPI_BUF_Param1; unsigned char Parâmetro 1

SPI_BUF_Param2; unsigned char Parâmetro 2

SPI_BUF_Resposta; unsigned char Resposta do comando

SPI_BUF_RespostaPronta; unsigned short int Flag indicador de que existe resposta pronta para ser enviada

SPI_CMD_DISPONIVEL; unsigned short int Flag indicador que existe um comando novo para ser processado.

Apenas quando o flag SPI_CMD_DISPONIVEL estiver verdadeiro (valor =

1) o comando presente no buffer poderá ser processado. Após o

processamento do comando, a resposta a ser enviada deverá ser

colocada no buffer na variável SPI_BUF_Resposta, e o flag

SPI_BUF_RespostaPronta deverá ser colocado como verdadeiro (valor =

1), para que o Driver de comunicação possa considerar o valor presente

no buffer.

O buffer é atualizado mediante a chamada da função LER().

Documents

IMPLEMENTAÇÃO DE UM CONTROLADOR FUZZY USANDO …educatec.eng.br/engenharia/Automacao Industrial/Projeto FUZZY/TCC... · ... famosa pela sua capacidade de realizar ... PCI do cartão