No texto de hoje irei implementar um voltímetro CC com a placa Arduino UNO. As aplicações desse exemplo não se restringe a ser somente um voltímetro, ele pode ser utilizado como monitor de algum sinal de tensão CC em que seu monitoramento é essencial.
O protótipo de hoje por exemplo, pode ser utilizado em sistemas robóticos para monitoramento do nível de tensão de uma bateria. Monitorar a tensão de saída de uma fonte, e inúmeras outras aplicações.
A Técnica Utilizada Para Medir Tensão CC
Antes de sairmos conectando aleatoriamente os componentes na expectativa de que tudo funcione, devemos primeiramente entender qual a técnica utilizada para medir a tensão CC, principalmente para valores acima dos 5 Volts que o Arduino funciona.
O circuito utilizado para medir a tensão CC, ou melhor, o sensor de tensão CC que será construído é baseado no circuito divisor de tensão. O circuito divisor de tensão da Figura 1, será utilizado em todo o texto e a montagem se baseia neste circuito.
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| Figura 1 - Divisor resistivo utilizado como sensor de tensão CC. |
Na Figura 1, tem-se dois resistores basicamente. Devemos então, aplicar a teoria de análise de circuitos para obter o valor da tensão $V_{OUT}$. Logo, tem-se a equação (1).
$$\begin{equation}{V}_{OUT} = {V}_{CC}\frac{{R}_{2}}{{R}_{1}+{R}_{2}}\end{equation}$$
Com o uso da equação (1), podemos obter valores de $R_{1}$ e $R_{2}$ de modo a obter, uma tensão de saída máxima, $V_{OUT}$ de 5 V, para um valor específico de $V_{CC}$.
Para este teste, vamos definir que a tensão máxima a ser medida seja de $V_{CC}$ = 20 V. Desta forma, toda vez que a tensão chegar ao máximo, o microcontrolador deverá ter no máximo 5 V. Assim, para um $V_{CC}$ = 20 V devemos ter $V_{OUT}$ = 5 V.
Podemos a partir do exposto acima, determinar o valor das resistências do divisor. Definindo $R_{2}$ = 10 KΩ, teremos:
$$\begin{equation}5=\frac{10K}{{R}_{1}+10K} 20\quad \rightarrow \quad {R}_{1}=\frac { 150K }{ 5 } =30K\Omega \end{equation}$$
Resumindo, para nossa faixa de medida, que estende-se de 0 a 20 Vcc, teremos os resistores, $R_{1}$ = 30 KΩ e $R_{2}$ = 10 KΩ.
Com estes dados de projeto, podemos selecionar os materiais que iremos utilizar nesta montagem.
Para este teste, vamos definir que a tensão máxima a ser medida seja de $V_{CC}$ = 20 V. Desta forma, toda vez que a tensão chegar ao máximo, o microcontrolador deverá ter no máximo 5 V. Assim, para um $V_{CC}$ = 20 V devemos ter $V_{OUT}$ = 5 V.
Podemos a partir do exposto acima, determinar o valor das resistências do divisor. Definindo $R_{2}$ = 10 KΩ, teremos:
$$\begin{equation}5=\frac{10K}{{R}_{1}+10K} 20\quad \rightarrow \quad {R}_{1}=\frac { 150K }{ 5 } =30K\Omega \end{equation}$$
Resumindo, para nossa faixa de medida, que estende-se de 0 a 20 Vcc, teremos os resistores, $R_{1}$ = 30 KΩ e $R_{2}$ = 10 KΩ.
Com estes dados de projeto, podemos selecionar os materiais que iremos utilizar nesta montagem.
Materiais Necessários
Cabe destacar que este texto é produzido com materiais disponibilizados pela loja parceira do blog Eletrônica de Garagem, a loja Silvatrônics. Lá você poderá adquirir todos os materiais utilizados nesta montagem, sem lembrar do custo-benefício. Os materiais necessários são:
➤ Placa Arduino (utilizarei a placa UNO);
➤ Cabo USB tipo A/B;
➤ Módulo display LCD 16x2;
➤ Protoboard;
➤ Resistor $R_{1}$ = 30 KΩ;
➤ Resistor $R_{2}$ = 10 KΩ.
Com os materiais listados acima, podemos prosseguir para etapa de elaboração do algoritmo na IDE do Arduino.
Programa Para Medir a Tensão CC
O programa aparentemente é muito simples, o que é feito é tomar 50 medidas da tensão pela entrada analógica A0 do Arduino. Em seguida, calcula-se a tensão média e apresenta o valor final calculado no display LCD.
Cabe destacar que os valores de $R_{1}$ e $R_{2}$ podem ser facilmente modificados no programa. Essa característica nos permite calibrar o programa para calcular a tensão baseado no valor real da resistência dos resistores utilizados. Sendo assim, utilizando um ohmímetro podemos medir a resistência e alterar no programa. Aumentando a precisão do medidor.
Este programa também está disponível para download direto no GitHub.
Após o término da programação e verificação de erros, podemos montar nosso protótipo de voltímetro digital utilizando a placa Arduino.
Montagem e Teste do Protótipo de Voltímetro Digital com Arduino
Com todos os materiais necessários e o programa final livre de erros de sintaxe, podemos montar e verificar o funcionamento do voltímetro. Utilizando o software Fritzing, desenhei um esquema de ligação simplificado do Arduino, o display LCD e o divisor de tensão que pode ser visto na Figura 2.
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| Figura 2 - Esquema de conexão do Arduino ao display e o divisor de tensão. |
A montagem segue conforme apresentado no esquema de ligação. Recomendo muita atenção nesta etapa para que não ocorra ligações incorretas, evitando danos aos componentes utilizados.
Após a interligação de todos os componentes, minha montagem ficou conforme apresentado na Figura 3.
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| Figura 3 - Montagem do protótipo de voltímetro na bancada. |
Para testar o medidor, utilizei uma fonte de alimentação com saída ajustável. Com um voltímetro monitorei a tensão da fonte para compararmos com os resultados apresentados no display do protótipo.
As imagens a seguir apresentam algumas das medidas realizadas.
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| Figura 4 - Teste realizado para uma tensão de 4,01 V. |
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| Figura 5 - Teste realizado para uma tensão de 7,18 V. |
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| Figura 6 - Teste realizado para uma tensão de 14,10 V. |
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| Figura 7 - Teste realizado para uma tensão de 16,02 V. |
Esse erro pode ser reduzido de diferentes formas, listarei a seguir algumas possíveis soluções.
➤ Utilizar resistores de precisão para montagem do circuito divisor. Os resistores que utilizei são de baixa precisão, 5%;
➤ Tomar um número maior de amostras de tensão.
No entanto, devemos lembrar que o multímetro utilizado no teste do protótipo também possui uma precisão no valor medido, e isso inclui mais erros na comparação do valor real da tensão.
Sendo assim, a calibração do protótipo de voltímetro deve ser feita utilizando um instrumento que tenha sido calibrado recentemente ou que possua uma boa confiabilidade.
Considerações Finais
No texto de hoje, vimos o uso de um Arduino como um voltímetro CC. As aplicações deste tipo de protótipo são inúmeras e vão desde o monitoramento da tensão de uma bateria ou fonte à sistemas eletrônicos mais complexos.
Espero que tenham gostado desta aplicação prática, em breve apresentarei mais protótipos de instrumentos utilizando nossa placa Arduino.
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Obrigado pela companhia e até o próximo protótipo com Arduino!
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