Detector de Gás e Fumaça

Detector de Gás e Fumaça

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Trabalho Final Detector de fumaça e gases inflamáveis

Alexandre Oliveira Conceição, André Victor Oliveira Monteiro, João Wallas Lima de Jesus e Maykom Douglas Nunes Lima

Fundação Universidade Federal de Rondônia, Núcleo de Ciência e Tecnologia, Departamento de Engenharia Elétrica - DEE Bacharelado em Engenharia Elétrica - 5표 Período - Eletrônica I - Prof. M.Sc. Ciro Egoavil - Projeto de Eletrônica I

Resumo—Este projeto consiste no desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para detectar gases inflamáveis e fumaça no ambiente e dissipá-las do mesmo. Adotou-se um microcontrolador da família PIC, o qual servirá tanto para receber o sinal referente ao nível de intensidade do gás/fumaça do ambiente quanto para interpretar, atuar e, consequentemente dissipar os gases/fumaças presente no ambiente. Para tanto, foi construída uma placa de circuito impresso para desempenhar a função de controle, utilizando o software ARES profissional para a cronstrução do layout do circuito. Index Terms—Detector de gases.

Sensor de Fumaça e gases inflamáveis é um projeto simples, mas funcional, o projeto é baseado no sensor semicondutor MQ-2 que é controlado por um PIC16F877A. O projeto foi retirado da revista Ucontrol, edição maio de 2008. O mesmo possui algumas alterações do projeto original, como a inclusão de um dissipador de gás ligado ao um buffer de tensão que é utilizado para fornece um sinal seguro para o circuito de acionamento do dissipador. O sensor NAP11AS utilizado no projeto original foi substituído por um sensor bem similar, com uma sensibilidade um pouco menor, o que ajuda na aplicação do projeto. Ocorreu também a substituição do microcontrolado PIC18F2520 pelo PIC16F877A.

O projeto possui aplicações residenciais e industriais, onde pode ser usado para detecar inícios de incêndio, e possíveis fuga de gases inflamáveis, onde irá nos alertar com sinais visuais e sonoros.

A. Descrição dos componentes primordiais do projeto

∙ LM7805: É um regulador de tensão que proporciona uma tensão constante de 5V DC em sua saída, se for introduzido na entrada qualquer valor de tensão superior a + 5V DC. Abaixo segue a ilustração do mesmo, sendo o pino 1, 2 e 3 sua entrada, referência e saída, respectivamente;

Figura 1. Regulador de tensão LM7805

∙ PIC16F877A: Os microcontroladores são chips inteligentes, que tem um processador, pinos de entradas/saídas e memória. Através da programação dos microcontroladores podemos controlar suas saídas, tendo como referencia as entradas ou um programa interno. O que diferencia os diversos tipos de microcontroladores, são as quantidades de memória interna (programa e dados), velocidade de processamento, quantidade de pinos de entrada/saída (I/O), alimentação, periféricos, arquitetura e set de instruções. No projeto foi utiizado um microcontrolador da família PIC, mas precisamento o 16F877A. O número 16 significa que ele faz parte da família "MID-RANGE". É um microcontrolador da família de 8 bits. A letra F indica que a memória de programação deste PIC é do tipo "Flash". Os três últimos números permitem identificar precisamente o PIC, que neste caso é um PIC do tipo 877A que é a ultima versão do famoso 877. Este PIC utilizado no projeto contém um módulo de 2 comparadores analógicos (CMCON) e um módulo gerador de voltagem de referência (VRCON), 5 conjuntos de portas de entrada e saída (total de 3 portas), conversor analógico-digital de 10 bits de resolução e 8 canais de entrada, periférico de comunicação paralela e serial (USART e MSSP), 2 Módulos CCP (Comparação, Captura e PWM), 3 Timers (1 de 16 bits e 2 de 8 bits). O PIC16F877A está ilustrado abaixo com sua respectiva pinagem.

Figura 2. Microprocessador PIC16F877A.

∙ MQ-2: É o sensor do tipo oftativo e semicondutor, o qual detecta concentrações de gases combustíveis ou de fumaça e fornece uma saída de voltagem analógica. O sensor pode medir concentrações de gases inflamáveis na faixa de 300 a 10.0 ppm, opera em temperaturas de -20 a 50oC e consome menos de 150mA a 5V. Para um funcionamento preciso e otimizado devemos conectar 5V nos pinos do aquecedor, que são os pinos H, para que o sensor possa chegar na temperatura de funcionamento. Com isso conectando uma tensão aos pinos A faz com que o sensor emita uma voltagem analógica nos outros pinos B. Uma resistência entre a saída do sensor e o terra determina o grau de sensibilidade do conjunto. Abaixo á uma ilustração da pinagem e do circuito interno do sensor.

Figura 3. MQ-2 Sensor

∙ BUZZER: O buzzer é composto por 2 camadas de metal e uma camada interna de cristal piezoelétrico ou eletroacústica. Ao ser alimentado com uma fonte de sinal, vibra da mesma frequência recebida, funcionando como uma sirene ou alto-falante. Existem várias versões e tamanhos. Quase todos os dispositivos sonoros de alarmes usam um buzzer para emitir som. Sua vantagem em relação a altosfalantes comuns é que consome pouca energia em relação à potência sonora, sendo facilmente alimentado com pequenas baterias. No projeto foi utilizado um ressonador piezoelétrico que emite um sinal sonoro, a frequência do som emitido será proporcional a sensibilidade do sensor MQ-2 para responder ao odor no ambiente. O buzzer está ilustrado abaixo.

Figura 4. Buzzer - pizoelétrico

∙ LED‘S: O LED é um diodo semicondutor com junção

P-N, que quando energizado emite luz visível. A luz não é monocromática, mas consiste de uma banda espectral relativamente estreita e é produzida pelas interacções energéticas do electrão. O processo de emissão de luz pela aplicação de uma fonte eléctrica de energia é chamado eletroluminescência. Sua funcionalidade básica é a emissão de luz em locais e instrumentos onde se torna mais conveniente a sua utilização no lugar de uma lâmpada. Especialmente utilizado em produtos de microeletrônica como sinalizador de avisos, também pode ser encontrado em tamanho maior, como em alguns modelos de semáforos. No caso no projeto a funcionalidade dos led‘s é sinalizar alterações no ambiente.

Figura 5. Led‘s

∙ CRISTAL OSCILADOR: São componentes compostos de dois terminais, ligados a um cristal piezoeléctrico interno. Esse cristal contrai quando submetido a tensão elétrica, e o tempo de contração varia conforme a construção do cristal. Quando a contração chega a um certo ponto, o circuito libera a tensão e o cristal relaxa, chegando ao ponto de uma nova contração. Assim, os tempos de contração e relaxação desse ciclo determinam uma freqüência de operação, muito mais estável e controlável que circuitos com capacitores. Cristais de quartzo são usados sobretudo em microcontroladores. No projeto o cristal possui a função de estabilizar as alterações ou variações que ocorrem devido ao circuito ressonante do microcontrolador. O cristal utilizado foi de 4MHz. Abaixo segue a ilustração do mesmo.

Figura 6. Cristal Oscilador

∙ Relé: Um relé é um interruptor acionado eletricamente. A movimentação física deste "interruptor"ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos. O relé é um dispositivo eletromecânico ou não, com inúmeras aplicações possíveis em comutação de contatos elétricos. Servindo para ligar ou desligar dispositivos. Abaixo segue a ilustração da pinagem do relé utilizado, onde temos o pino 2 sendo o pivor, o pino 4 e 5 onde irá o circuito que eu quero alimentar, e o pino 1 e 3, os pinos de acionamento.

Figura 7. Relé

Desenvolver e implementar um trabalho prático, no caso um detector de fumaça e gases inflamáveis, em uma placa de circuito impresso, com uma verificação teórica dedicada. Também nos fornece uma introdução básica à programação na linguagem C, e nos ensina a controlar os seus módulo de comunicação serial, e o módulo A / D (Analógico/Digital.

∙ Regulador de tensão LM7805;

∙ Microcontrolador PIC16F877A;

∙ Sensor MQ-2;

∙ Relé 6V DC;

∙ Transistor BC547;

∙ Amplificador Operacional LM741

∙ Coller;

∙ Um resistor de 5푘1Ω;

∙ Um resistor de 4푘7Ω;

∙ Um resistor de 6푘2Ω;

∙ Quatro capacitores de 1휇퐹;

∙ Dois capacitores de 10휇퐹;

∙ Dois capacitores de 2휌퐹;

∙ Um capacitor de 100휇퐹.

A. Funcionamento do projeto

O circuito é alimentado pelo regulador de tensão LM7805.

Que foi implementado com auxílio de capacitores para me fornecer um sinal seguro. Com isso nos fornecerá uma tensão necessária para uma operação correta de todos os componentes envolvidos no projeto.

O sensor teve em seu circuito uma resistência ligada nos pinos B com a referência, esses pinos são responsáveis a fornecer um sinal analógico para o microcontrolador, essa resistência foi conectada afim da otimização das medições do sensor.

No microcontrolador foi preciso a utilização de capacitores cerâmicos ligados entre os pinos VDD e VSS para um funcionamento correto, também foi preciso a utilização de um cristal oscilador, para que o microcontrolador possa oscilar em uma frequência fixa, estabelecida pelo projetista.

O circuito de acionamento, conectamos um diodo em paralelo com a bobina do relé, mas reversamente polarizado, com o objetivo de proteger o circuito, neste caso o transistor. Ao desenergizar a bobina do relé pode surgi uma tensão reversa induzida cuja o pico pode ser muito elevado, podendo danificar o circuito de acionamento. O diodo assim conectado faz a proteção deste circuito.

Uma vez que o sensor detecta uma concentração anormal de fumaça ou gás inflamável contínua, o mesmo fornecerá um sinal analógico em forma de tensão, ao pino 2 do microcontrolador, que é o pino responsável por fazer a conversão A/D, que por sua vez irá entender este sinal e emitirá um sinal a porta B, aos pinos RB0 e RB2.

O pino RB2 está conectado com o led vermelho responsável por emitir o sinal visual, e o pino RB0 está conectado a um buffer de tensão, no qual é responsável por fornecer um sinal seguro e livre de ruídos para o buzzer que é responsável por emitir o sinal sonoro, e para o circuito de acionamento do dissipador de gás.

Quando o microcontrolador fizer essa leitura do sinal emitido pelo sensor, ele deixa de fornecer tensão ao pino RB1 da porta B. Fazendo com que o led verde se apague. Também indicando que o sensor detectou algo.

O dissipador de gás está conectado em paralelo com o buzzer, os dois na saída do buffer. O dissipador possui um circuito de acionamento (Figura 3), que quando a tensão fornecida na base do transistor deste circuito de acionamento for zero, o circuito ficará na posição desligado. Quando a tensão na base do transistor for suficiente ao ponto de que VBE e IB possa levar o transistor a saturação, o circuito de acionamento ficará na posição ligada, acionando o relé, de modo que o dissipador de gás começa a funcionar, dissipando o gás presente no local.

Figura 8. Circuito de acionamento.

Abaixo segue a imagem do sensor de fumaça, pronto para a detecção da fumaça e de gases inflamáveis, pois o sensor já alcançou sua temperatura para um correto funcionamento.

Figura 9. Sensor de Fumaça e Gases Inflamáveis

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