Disciplina de Controle e Automação de Processos Químicos

Universidade Federal do Rio Grande – FURG         [pic 1]

Escola de Química e Alimentos

Disciplina de Controle e Automação de Processos Químicos

Sistema de medição de luminosidade com sensor LDR e filtro exponencial de primeira ordem

Rio Grande, 2017

1 INTRODUÇÃO

O sensor de luminosidade é um equipamento eletrônico capaz de regular o funcionamento de um dispositivo elétrico qualquer, mediante a quantidade de luz irradiada. Esse sensor tem várias aplicações no cotidiano seja na economia de energia ou no controle de iluminação em diferentes ambientes. O sensor de luminosidade descrito aqui, baseia-se no uso do LDR, um tipo especial de resistor, cuja resistência é inversamente proporcional à quantidade de luz que incide sobre o mesmo.

Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutores, componente que transforma uma energia em outra, classificados em analógicos ou digitais. Essa divisão é feita de acordo com a forma a qual o componente responde à variação da condição, os sensores analógicos são os dispositivos mais comuns, mesmo sendo limitados entre dois valores de tensão, podem assumir infinitos valores intermediários.

As principais funções dos filtros são a separação e recuperação de sinais. Os filtros analógicos são muito mais baratos que os digitais, contudo os filtros digitais conseguem desempenhos muito melhores. Neste trabalho foi utilizado o filtro exponencial de primeira ordem, que aplica uma combinação ponderada da estimativa anterior (saída) com os dados de entrada mais recentes. O filtro exponencial de 1ª ordem é bastante aplicado devido a sua simplicidade

2 OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo projetar, implementar, montar e testar um sistema de medição de luminosidade baseado em um sensor LDR, adquirindo os dados com o uso da plataforma microcontroladora Arduino. Usou-se um luxímetro, como referência, além de um filtro exponencial de primeira ordem no programa de aquisição de dados.

3 METODOLOGIA

O circuito para leitura da luminosidade foi montado e projetado utilizando uma protoboard, jumpers, uma plataforma microcontroladora Arduino UNO, uma resistência adicional de 10K e o sensor de luminosidade do tipo LDR.

O Arduino UNO possui entradas/saídas digitais e analógicas. As entradas/saídas digitais da placa possuem 14 pinos, esses pinos são numerados de 0 a 13. Já as entradas/saídas analógicas possuem 6 pinos analógicos, que vão de A0 à A5, possuindo uma resolução de 10 bits, logo, o intervalo da tensão de referência, que no caso padrão é 0 a 5V, é dividido em 1024 intervalos.

Com o auxílio de um luxímetro, como referência para fins de teste e calibração, pode-se medir a incidência de luz. A esquematização do circuito pode ser vista na Figura 1.

Figura 1 – Circuito com o sensor LDR e Luxímetro.[pic 2]

Fonte: O Autor.

O circuito completo de medição de luminosidade por ser visto na Figura 2, em que o resistor utilizado tem 9,9K e a porta analógica foi referenciada como A0.

Figura 2 – Circuito ilustrativo utilizado para a medição de luminosidade.

Fonte: O Autor[pic 3]

LDR, do inglês Light Dependent Resistor ou Resistor Dependente de Luz, é um sensor que varia sua resistência conforme a intensidade de luz. Quanto mais luz, menor sua resistência. Isso ocorre porque o LDR é constituído de um material semicondutor (sulfeto de cádmio ou sulfeto de chumbo) com elevada resistência elétrica. Quando a luz que incide sobre o semicondutor tem uma frequência suficiente, os fótons que incidem sobre o semicondutor libertam elétrons para a banda condutora, melhorando a sua condutividade e assim diminuindo a resistência.

O LDR não fornece uma leitura da quantidade de LUX, somente consegue fornecer a informação se está claro ou escuro. Na entrada analógica do Arduino quando aplicada uma tensão de 5V, máxima permitida, a leitura será de 1023. Esta condição é praticamente a mesma quando o sensor estiver em um ambiente muito claro, sua resistência será muito baixa e quase toda a tensão de 5V será aplicada na porta analógica, que apresentará uma leitura no pino analógico próximo de 1023. Caso a resistência do LDR seja exatamente a mesma que a do resistor, a leitura será de 512. E quando houver pouca luz no sensor, sua resistência será muito alta fazendo com que a queda de tensão sobre o sensor seja muito grande, chegando uma tensão muito baixa no pino analógico, apresentando uma leitura no próximo de 0.

Como o LDR varia sua resistência de acordo com a intensidade da luz, utilizou-se uma porta analógica do Arduino para ler esta variação (A0). Por isso também, montou-se um divisor de tensão com um resistor de 10kΩ.

Para este trabalho foi utilizado um filtro exponencial, que pode ser referido como "suavização exponencial". Ele possui apenas um parâmetro de sintonia (diferente do intervalo de amostra) e requer o armazenamento de apenas uma variável - a saída anterior. É um filtro IIR (autoregressivo) - os efeitos de uma mudança de entrada se deterioram exponencialmente até que os limites de exibição ou a aritmética do computador ocultem.

O filtro exponencial é uma combinação ponderada da estimativa anterior (saída) com os dados de entrada mais recentes, com a soma dos pesos iguais a 1 para que a saída corresponda à entrada no estado estacionário.

É o equivalente de tempo discreto do "atraso de primeira ordem" comumente usado na modelagem analógica de sistemas de controle de tempo contínuo. Nos circuitos elétricos, um filtro RC (filtro com um resistor e um capacitor) é um atraso de primeira ordem.

Segue a equação de um filtro exponencial de primeira ordem, já introduzido no algoritmo: