SÉRIE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
PROCESSAMENTO DE SINAIS
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CONFEDERAÇÃO NACIONAL DA INDÚSTRIA � CNI Robson Braga de Andrade Presidente
DIRETORIA DE EDUC AÇÃO E TECNOLOGIA Rafael Esmeraldo Lucchesi Lucchesi Ramacciotti Diretor de Educação e Tecnologia
SENAI�DN � SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL Conselho Nacional Robson Braga de Andrade Presidente
SENAI � DEPARTAMENTO NACIONAL Rafael Esmeraldo Lucchesi Lucchesi Ramacciotti Diretor-Geral Gustavo Leal Sales Filho Diretor de Operações
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PROCESSAMENTO DE SINAIS
© 2012. SENAI – Departamento Nacional © 2012. SENAI – Departamento Regional do Rio Grande do Sul
A reprodução total ou parcial desta publicação por quaisquer meios, seja eletrônico, mecânico, fotocópia, de gravação ou outros, somente será permitida com prévia autorização, por escrito, do SENAI – Depar tamento Regional do Rio Grande do Sul. Esta publicação foi elaborada pela equipe da Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD, do SENAI do Rio Grande do Sul, com a coordenação do SENAI Departamento Nacional, para ser utilizada por todos os Departamentos Regionais do SENAI nos cursos presenciais e a distância. SENAI Departamento Nacional Unidade de Educação Profissional e Tecnológica Tecnológica – UNIEP SENAI Departamento Regional do Rio Grande do Sul Unidade Estratégica de Desenvolvimento Educacional – UEDE/Núcleo de Educação a Distância – NEAD
FICHA CATALOGRÁFICA S491p Serviço Nacional de Aprendizagem Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional Processamento de sinais / Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. Brasília Brasília : SENAI/DN, 2012. 295 p. : il. (Série Automação Industrial). ISBN 978-85-7519-531-4 1. Dispositivos eletrônicos. I. Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Regional do Rio Grande do Sul. II. Título. III. Série. CDU 621.38 Bibliotecário Responsável: Responsável: Enilda Hack- CRB 599/10
SENAI Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Departamento Nacional
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Lista de ilustrações Figura 1 - Circuito ..............................................................................................................................................................22 Figura 2 - Raio - Tensão ..................................................................................................................................................22 Figura 3 - Corrente contínua ........................................................................................................................................23 Figura 4 - Corrente alternada .......................................................................................................................................24 Figura 5 - Símbolo do diodo ........................................................................................................................................24 Figura 6 - LED (diodo emissor de luz) .......................................................................................................................24 Figura 7 - Diodo retificador ..........................................................................................................................................25 Figura 8 - Diodo em série na alimentação de um circuito eletrônico ...........................................................25 Figura 9 - Diodo de proteção contra transientes de tensão.............................................................................26 Figura 10 - Interior de um diodo, a junção PN (anodo e catodo) ....................................... ............................27 Figura 11 - Inversamente Polarizado ........................................................................................................................28 Figura 12 - Diretamente Polarizado...........................................................................................................................28 Figura 13 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma área de fluxo de elétrons ...........................................................................................................................................................................28 Figura 14 - Cargas iguais se repelindo, e as cargas opostas se atraindo, criando uma área de repulsão na junção, interrompendo o fluxo de elétrons ........................................................................................29 Figura 15 - Símbolo do diodo retificador, segundo norma IEEE 315.............................................................30 Figura 16 - Conversor de corrente alternada para corrente contínua, com retificador de onda completa.30 Figura 17 - Ponte retificadora e seus diodos convertendo corrente contínua em corrente alternada.....30 Figura 18 - Símbolo de diodo zener, segundo norma IEEE315, e diodo zener ..........................................32 Figura 19 - Circuito ..........................................................................................................................................................32 Figura 20 - Diodo 1N746 ...............................................................................................................................................33 Figura 21 - Símbolo de LED e um LED .....................................................................................................................35 Figura 22 - Imagem interna de um diodo ..............................................................................................................36 Figura 23 - Sinaleiros LEDs usados em quadros de comando elétricos e em sistemas de automação industrial ...............................................................................................................................................................................36 Figura 24 - Máquina utilizando os sinaleiros de LED...........................................................................................37 Figura 25 - LEDs junto a resistores em um circuito série ...................................................................................37 Figura 26 - Dígito de 7 segmentos, composto por 7 leds para mostar o número, mais um para o ponto .38 Figura 27 - Fotodiodo ....................................................................................................................................................39 Figura 28 - Cortina ótica de segurança com LED .................................................................................................40 Figura 29 - Símbolo do varicap segundo norma IEEE315 .................................................................................40 Figura 30 - Diodo schottky ...........................................................................................................................................41 Figura 31 - Diodo túnel ..................................................................................................................................................41 Figura 32 - Multimetro ...................................................................................................................................................41 Figura 33 - Diodo diretamente polarizado .............................................................................................................42 Figura 34 - Diodo inversamente polarizado ...........................................................................................................42 Figura 35 - Optoacopladores .......................................................................................................................................43 Figura 36 - Circuito divisor de tensão ......................................................................................................................43 Figura 37 - Optoacoplador ..........................................................................................................................................44 Figura 38 - Diagrama de um sistema automatizado ...........................................................................................44 Figura 39 - Circuito integrado......................................................................................................................................45 Figura 40 - Transmissores NPN e PNP .......................................................................................................................47 Figura 41 - Símbolo de um transistor bipolar NPN e diagrama da junção NPN ........................................48 Figura 42 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que está sendo energizado .............................................................................................................................................................48
Figura 43 - Símbolo de um transistor bipolar PNP e diagrama da junção PNP .........................................49 Figura 44 - Transistor NPN polarizado. Carga representa um circuito ou componente que está sendo energizado .............................................................................................................................................................49 Figura 45 - Circuito de acionamento de relé utilizando transistor NPN .......................................................50 Figura 46 - Circuito de acionamento de relé utilizando transistor PNP .................................... ...................53 Figura 47 - Encapsulamento: principais encapsulamentos de transistores e suas potências ..............54 Figura 48 - Tela de busca do Google .........................................................................................................................56 Figura 49 - Datasheet do transistor pesquisado ...................................................................................................56 Figura 50 - Detalhe do multímetro, marcado para teste de diodo ................................................................56 Figura 51 - Teste transistor NPN..................................................................................................................................57 Figura 52 - Teste transistor PNP...................................................................................................................................57 Figura 53 - Transistor Darlington ................................................................................................................................58 Figura 54 - Símbolo de JFET e representação da estrutura construtiva .......................................................59 Figura 55 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo enriquecimento e seus respectivos símbolos .........................................................................................................60 Figura 56 - Estrutura construtiva de um transistor MOS canal N de um transistor MOS canal P tipo depleção e seus respectivos símbolos.......................................................................................................................61 Figura 57 - Motor de corrente contínua convencional ......................................................................................62 Figura 58 - Motor de corrente contínua convencional 1 ...................................................................................62 Figura 59 - Motor DC.......................................................................................................................................................62 Figura 60 - Ponte H para controle da rotação de um motor utilizando transistores MOS.....................63 Figura 61 - Detalhamento .............................................................................................................................................63 Figura 62 - Terminal de controle de um transistor ..............................................................................................64 Figura 63 - Terminal de controle de um transistor 1............................................................................................65 Figura 64 - Conexão da carga a um transistor NPN usado como chave.......................................................65 Figura 65 - Circuito CMOS ou MOS ............................................................................................................................66 Figura 66 - Símbolos CMOS .......................................... ...............................................................................................66 Figura 67 - Tipos de tiristores ......................................................................................................................................67 Figura 68 - Símbolo do SCR ..........................................................................................................................................69 Figura 69 - Analogia entre um SCR e um circuito com dois transistores .....................................................69 Figura 70 - Representação da Curva V x A de um SCR ........................................................................................69 Figura 71 - Símbolo de DIAC ........................................................................................................................................70 Figura 72 - Circuito de um dimmer............................................................................................................................71 Figura 73 - Voltímetro para milivolts conectado a um sensor de temperatura tipo termopar ............72 Figura 74 - Da direita para esquerda: Sensor de pressão que envia sinal analógico através de variação de corrente (4 a 20 mA); Sensor tubular indutivo analógico, que envia sinal de 0 a 10V conforme proximidade; sensores analógicos por ultrasom, que envia sinal de 0 a 10V ................................73 Figura 75 - Amplificador operacional. CI LM741...................................................................................................75 Figura 76 - Amplificador inversor. No gráfico em vermelho, o sinal de entrada (V i), e em azul o sinal de saída, já amplificado e invertido (V o). ...................................................................................................................76 Figura 77 - Amplificador. No gráfico em vermelho, o sinal de entrada (V i), e em azul o sinal de saída, já amplificado (Vo). ............................................................................................................................................................76 Figura 78 - Tanque de fluido ........................................................................................................................................77 Figura 79 - Tanque de fluido 1 .....................................................................................................................................77 Figura 80 - Divisor de tensão .......................................................................................................................................78 Figura 81 - Circuito ..........................................................................................................................................................79 Figura 82 - Circuito 1 .......................................................................................................................................................79 Figura 83 - Circuito somador inversor ......................................................................................................................81 Figura 84 - Amplificador operacional como subtrator .......................................................................................82 Figura 85 - Amplificador operacional como subtrator 1....................................................................................82
Figura 86 - Representação do sinal de entrada (Vin) e saída (Vo) de um oscilador astável ..................83 Figura 87 - Circuito integrado 555 e gráfico de saída .........................................................................................83 Figura 88 - Gráfico de PWM a 1kHz............................................................................................................................84 Figura 89 - Oscilador Monoestável ............................................................................................................................85 Figura 90 - Filtro com capacitor, aplicado e fontes para diminuição do “ripple”.......................................86 Figura 91 - Gráfico da Intensidade de sinal x Frequência ..................................................................................87 Figura 92 - Filtro passa baixa........................................................................................................................................87 Figura 93 - Filtro passa alta ...........................................................................................................................................88 Figura 94 - Filtro passa-faixa, usando capacitor, indutor e resistor ................................................................88 Figura 95 - Filtro rejeita-faixa, também conhecido como rejeita-banda .....................................................89 Figura 96 - Filtro passa-baixa .............................. ........................................................................................................90 Figura 97 - Filtro passa-alta ..........................................................................................................................................90 Figura 98 - Filtro ativo passa-banda ..........................................................................................................................90 Figura 99 - Fonte de bancada ......................................................................................................................................91 Figura 100 - Fonte de microcomputador ................................................................................................................91 Figura 101 - Fonte chaveada 2A .................................................................................................................................91 Figura 102 - Gráfico da tensão após retificação, sem aplicação de filtros ...................................................92 Figura 103 - Transformador utilizado em uma fonte linear ..............................................................................93 Figura 104 - Fonte simétrica.........................................................................................................................................93 Figura 105 - Esquema de fonte simétrica ................................................................................................................93 Figura 106 - Esquema de fonte simétrica ................................................................................................................94 Figura 107 - Fases de uma fonte chaveada.............................................................................................................95 Figura 108 - Reservatórios d’água..............................................................................................................................99 Figura 109 - Reservatórios d’água com sensor potenciométrico ................................................................ 100 Figura 110 - Reservatórios d’água com sensor de ultrassom........................................................................100 Figura 111 - Reservatórios d’água medido através do ângulo e refração ................................................100 Figura 112 - Reservatórios d’água sensor de nível............................................................................................ 101 Figura 113 - Reservatórios d’água de célula de carga ..................................................................................... 101 Figura 114 - Reservatórios d’água com terminais condutivos................................. ..................................... 101 Figura 115 - Sensor de nível digital e um sensor de nível analógico ......................................................... 102 Figura 116 - Chave de contato normalmente aberto com princípio de acionamento magnético .103 Figura 117 - Botão de emergência com contato normalmente fechado .................................................104 Figura 118 - Sensor NPN e PNP, forma de ligação e tipo de sinal de retorno .......................................... 105 Figura 119 - Sensores NPN e PNP com resistor de definição de sinal para alta impedância ............. 105 Figura 120 - Sensores NPN e PNP ............................................................................................................................ 106 Figura 121 - Dispositivos de acoplamento eletromecânicos (a relé).......................................................... 107 Figura 122 - Sistema de sinaleiro e botoeiras cuja alimentação e comunicação é realizada por um único cabo de dois fios condutores, usando comunicação digital serial em rede padrão AS-I ........107 Figura 123 - Sensor analógico .................................................................................................................................. 108 Figura 124 - Sensor eletrônico de temperatura .................................................................................................109 Figura 125 - Princípio físico ....................................................................................................................................... 110 Figura 126 - Chaves mecânicas ............................................................................................................................... 111 Figura 127 - Sensor óptico de reflexão, e suas partes emissora/receptora ............................................. 112 Figura 128 - Sensor óptico por retrorreflexão com espelho refletor especial, usado como barreira óptica para a deteção de objetos ........................................................................................................................... 114 Figura 129 - Sensor óptico por reflexão difusa .................................................................................................114 Figura 130 - Sensores ópticos por transmissão ................................................................................................. 115 Figura 131 - Sistema de sensor óptico por transmissão usando fibra óptica ......................................... 115 Figura 132 - Sensor de barreira óptica ................................................................................................................. 116
Figura 133 - Scanner a laser ...................................................................................................................................... 117 Figura 134 - Sensor infravermelho.......................................................................................................................... 118 Figura 135 - Relés fotoelétricos e um resistor dependente de luz .............................................................. 119 Figura 136 - Sensor de visão ..................................................................................................................................... 119 Figura 137 - Sensor com ultrasom .......................................................................................................................... 120 Figura 138 - Equipamento aplicado à análise por ultrassom, permitindo identificar fissuras internas no material através da análise da propagação do som através do material.............................................120 Figura 139 - Sensores indutivos ............................................................................................................................... 121 Figura 140 - Aplicação de sensores indutivos .................................................................................................. 122 Figura 141 - Sensores capacitivos ........................................................................................................................... 123 Figura 142 - Sensores magnéticos .......................................................................................................................... 124 Figura 143 - Cilindro pneumático com êmbolo magnético .......................................................................... 124 Figura 144 - Circuito integrado sensor de efeito HALL A1101, da Allegro MicroSystems Inc. ......... 124 Figura 145 - Sensor de pressão microcontrolado, de seu componente interno (sensor de pressão) e do piezorresistor utilizado nesta última como elemento detector de pressão ....................................... 126 Figura 146 - Sensor de pressão do tipo pressostato de membrana ........................................................... 126 Figura 147 - Circuitos integrados acelerômetros............................................................................................... 127 Figura 148 - Sensor industrial ................................................................................................................................... 127 Figura 149 - Equipamentos que utilizam acelerômetros................................................................................ 127 Figura 150 - Sensor strain-gage acoplado à célula de carga......................................................................... 127 Figura 151 - Modelo de posicionamento ............................................................................................................. 127 Figura 152 - Strain-gage ............................................................................................................................................. 127 Figura 153 - Sensores de turbinas ........................................................................................................................... 128 Figura 154 - Tubulação com ponto de estrangulamento ............................................................................... 129 Figura 155 - Representação de um sensor tipo pitot....................................................................................... 129 Figura 156 - Rotâmetro ............................................................................................................................................... 129 Figura 157 - Gráfico da curva de sensores NTC e PTC genéricos ................................................................. 131 Figura 158 - Voltímetro ............................................................................................................................................... 132 Figura 159 - Sonda com termopar .......................................................................................................................... 134 Figura 160 - Gráfico das curvas de termopares, entre temperatura e tensão gerada em milivolts 134 Figura 161 - Imagem térmica de um motor elétrico em funcionamento................................................. 135 Figura 162 - Sensor infravermelho para a medição de temperaturas ....................................................... 135 Figura 163 - Braço robótico ....................................................................................................................................... 137 Figura 164 - Encoders ópticos usados em suas articulações e seu princípio de funcionamento.... 137 Figura 165 - Sensor de posição linear .................................................................................................................... 138 Figura 166 - Encoders analógico potenciométrico........................................................................................... 138 Figura 167 - Encoders absolutos óptico................................................................................................................ 139 Figura 168 - Encoders incrementais ou relativos óptico................................................................................. 140 Figura 169 - Encoders incrementais ....................................................................................................................... 140 Figura 170 - Diagrama de funcionamento de um transdutor.......................................................................142 Figura 171 - Transdutor de corrente, usado para medir a corrente através do campo elétrico gerado pelo condutor ..................................................................................................................................................................144 Figura 172 - Esquema de um transdutor industrial de corrente ............................................................... 144 Figura 173 - Transdutores de posição tipo LVDT ............................................................................................... 144 Figura 174 - Transdutores de pressão .................................................................................................................... 144 Figura 175 - Transdutor de força – célula de carga ........................................................................................... 145 Figura 176 - Conversor de 4 a 20mA para sinal de radiofrequência ........................................................... 145 Figura 177 - Comparação analógica e digital ..................................................................................................... 149 Figura 178 - Manômetro analógico (ponteiro)................................................................................................... 150
Figura 179 - Manômetro digital ............................................................................................................................... 150 Figura 180 - Sistemas numéricos............................................................................................................................. 151 Figura 181 - Exemplo tabela verdade .................................................................................................................... 157 Figura 182 - Portas Lógicas ........................................................................................................................................ 160 Figura 183 - Operadores da álgebra booleana................................................................................................... 161 Figura 184 - Mapas de Karnaugh para 5 e para 6 variáveis............................................................................ 168 Figura 185 - Diagrama de um multiplexador...................................................................................................... 169 Figura 186 - Multiplexador de 2 canais ................................................................................................................ 170 Figura 187 - Multiplexador de quatro entradas - a) Tabela verdade - b) Circuito implementado ...170 Figura 188 - Multiplexador de 8 entradas - a) Tabela verdade - b) Símbolo lógico - c) Diagrama lógico .. 171 Figura 189 - Portas lógicas utilizadas como circuitos de habilitação ......................................................... 172 Figura 190 - Multiplexador quádruplo de 2 entradas 74xx157 - a) Tabela verdade - b) Símbolo lógico - c) Diagrama lógico .........................................................................................................................................172 Figura 191 - Diagrama de um demultiplexador ................................................................................................173 Figura 192 - Demultiplexador de 2 canais ........................................................................................................... 174 Figura 193 - Projeto de um demultiplexador 1:4 - a) Tabela verdade - b) Expressões para as saídas c) Circuito implementado ...........................................................................................................................................174 Figura 194 - Demultiplexador 1:8 - a) Tabela verdade - b) Expressões para as saídas - c) Diagrama lógico ..................................................................................................................................................................................175 Figura 195 - Circuito 74xx138, Decodificador/Demultiplexador configurado como demultiplexador com a entrada de habilitação funcionando como entrada de dados .........................................................176 Figura 196 - Circuito 74xx154 configurado como demultiplexador 1:16 - a) e b) Configurações para funcionamento como demultiplexador 1:16 - c) Diagrama lógico ..............................................................176 Figura 197 - Decodificador/Demultiplexador 74xx155: a) Tabela verdade; b) Diagrama de conexões; c) Diagrama lógico .........................................................................................................................................................177 Figura 198 - Conversores DA e AD .......................................................................................................................... 178 Figura 199 - Conversão de um sinal analógico para digital........................................................................... 179 Figura 200 - Conversor AD muito utilizado, o ADC0808 ................................................................................. 180 Figura 201 - Conversor D/A de 4 bits ..................................................................................................................... 182 Figura 202 - Diagrama esquemático de uma calculadora.............................................................................. 183 Figura 203 - Código BCD (Binary Coded Decimal) ............................................................................................ 185 Figura 204 - Display de 7 segmentos ..................................................................................................................... 186 Figura 205 - Circuitos decodificadores .................................................................................................................. 186 Figura 206 - Decodificador 74xx138, diagrama lógico e tabela verdade em relação às entradas de habilitação (enable) .......................................................................................................................................................187 Figura 207 - Esquema de ligação de um decodificador de 2 bits para controlar até 4 saídas, usadas em um motor de passo de 4 bobinas .....................................................................................................................187 Figura 208 - Diagrama geral de um codificador ................................................................................................188 Figura 209 - Painel de equipamento com chave seletora de 8 posições.................................................. 188 Figura 210 - CLP usando 3 entradas digitais para ler sinal de 8 diferentes combinações possíveis188 Figura 211 - Codificador de 8 para 3 linhas ......................................................................................................... 189 Figura 212 - Flip-flop RS - a) implementação do circuito com portas NOR - b) símbolo lógico ....... 190 Figura 213 - Flip-flop RS - a) implementação do circuito com portas NAND - b) símbolo lógico .... 191 Figura 214 - Flip-flop RS síncrono - a) implementação do circuito com portas lógicas - b) símbolo lógico ..................................................................................................................................................................................191 Figura 215 - Implementação do circuito de um flip-flop JK com portas lógicas ................................... 192 Figura 216 - Implementação do circuito de um flip-flop JK mestre-escravo .......................................... 193 Figura 217 - Símbolo lógico de um flip-flop JK mestre-escravo .................................................................. 194 Figura 218 - Flip-flop sensível à borda................................................................................................................... 194 Figura 219 - Flip-flop JK mestre-escavo com entradas Preset e Clear - a) implementação do circuito com portas lógicas - b) símbolo lógico ..................................................................................................................195
Figura 220 - Flip-flop tipo D - a) implementa ção do circuito a pa rtir de um flip-flop JK - b) símbolo lógico ...............................................................................................................................................................196 Figura 221 - Flip-flop tipo T - a) implementação do c ircuito a partir de um flip-flop JK - b) símbolo lógico ......................................................................................................................................................................196 Figura 222 - Circuito com Flip-Flop J-K aplicado à configuração de Toggle. CI utilizado: 74xx73 ... 196 Figura 223 - Gráfico de Aplicações de microcontroladores PIC por família............................................. 207 Figura 224 - Encapsulamentos do microcontrolador PIC16F877A ............................................................. 210 Figura 225 - Microcontrolador PIC16F877A I/P e seus principais pinos de alimentação, conexão e I/O ..210 Figura 226 - Microcontrolador PIC16f877A e alguns dos terminais de funções especiais ................. 212 Figura 227 - Diagrama que demonstra o caminho percorrido por um programa, desde sua criação até a gravação no microcontrolador de destino, e seu uso no equipamento .........................................214 Figura 228 - Controlador multifunção ................................................................................................................... 214 Figura 229 - DB25 femea porta paralela física .................................................................................................... 216 Figura 230 - Fluxograma............................................................................................................................................. 220 Figura 231 - Janela de novo aquivo........................................................................................................................226 Figura 232 - Tela “Salvar Como”, que aparece ao se iniciar um novo programa ..................................... 226 Figura 233 - Demonstrando a opção para compilação (pode ser obtida pela tecla de atalho F9) .228 Figura 234 - Demonstrando a compilação em processo ................................................................................ 228 Figura 235 - Hardware criado em um simulador de circuitos eletrônicos................................................230 Figura 236 - Esquema Elétrico .................................................................................................................................. 232 Figura 237 - Comandos para acionamento das saídas digitais .................................................................... 237 Figura 238 - Controle de motor de passo unipolar ........................................................................................... 239 Figura 239 - Comandos para leitura das saídas digitais 1 .............................................................................. 244 Figura 240 - Tipos de dados complexos................................................................................................................248 Figura 241 - Máquina de cálculo inadequada .................................................................................................... 256 Figura 242 - Máquina de cálculo inadequada 1 ................................................................................................. 256 Figura 243 - Fluxograma............................................................................................................................................. 258 Figura 244 - Hardware .................................................................................................................................................263 Figura 245 - Fluxo de execução em um programa com estruturas de repetição while ......................265 Figura 246 - Chamadas a funções/sub-rotinas ................................................................................................... 269 Figura 247 - Esquema de ligação de um microcontrolador PIC16F877A .................................................272 Figura 248 - Display alfanumérico .......................................................................................................................... 277 Figura 249 - LCD ............................................................................................................................................................ 278 Figura 250 - Uso com o LCD ...................................................................................................................................... 279 Figura 251 - Uso com o LCD 1................................................................................................................................... 280 Figura 252 - Uso com o LCD 2................................................................................................................................... 282 Figura 253 - Comunicação serial ............................................................................................................................. 283 Figura 254 - Esquema de ligação de um MAX232 a um microco ntrolador e uma por ta serial padrão DB9 .....................................................................................................................................................................283 Figura 255 - Pinos do PIC16F877A que podem ser configurados para conversão analógica/digital .... 286 Figura 256 - Potenciômetro de 10K conectado a um microcontrolador. Para facilitar entendimento, demais ligações de alimentação e clock do microcontrolador foram suprimidas .................................287 Figura 257 - Sensor de temperatura LM35DZ, de característica linear, conectado diretamente ao canal AN0 de um microcontrolador ........................................................................................................................288 Figura 258 - Ligação de um LDR em um microcontrolador usando o canal AN1.................................. 290 Figura 259 - Ligação de um transistor a um motor...........................................................................................291 Tabela 1: Técnico em Automação Industrial ............................................................................................................19 Tabela 2: Diodos retificadores e suas principais características .......................................................................31 Tabela 3: Principais modelos e valores comerciais ................................................................................................34
Tabela 4: Principais modelos de transistores NPN e PNP disponíveis ............................................................54 Tabela 5: Circuito A e B .................................................................................................................................................157 Tabela 6: Circuito A e B .................................................................................................................................................158 Tabela 7: Principais portas lógicas ............................................................................................................................159 Tabela 8: Equivalencias das portas lógicas ............................................................................................................160 Tabela 9: Verdade para as expressões equivalentes: a) XY e b) X + Y ......................................................164 Tabela 10: Verdade para as expressões complementares a) XY e b) XY .....................................................164 Tabela 11: Universalidade das portas NAND e NOR ..........................................................................................164 Tabela 12: Verdade considerando condições irrelevantes ..............................................................................168 Tabela 13: Tabela verdade para o circuito .............................................................................................................174 Tabela 14: Código binário natural de 4 bits ..........................................................................................................184 Tabela 15: Verdade de um codificador com entradas negadas .....................................................................189 Tabela 16: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NOR....................................................190 Tabela 17: Verdade para o flip-flop RS implementado com portas NAND ....................................... ......... 191 Tabela 18: Verdade para o flip-flop RS síncrono ..................................................................................................192 Tabela 19: Verdade para o flip-flop RS síncrono ..................................................................................................193 Tabela 20: Verdade para o flip-flop RS síncrono ..................................................................................................194 Tabela 21: Verdade para o flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear ..............................................195 Tabela 22: Verdade para o flip-flop tipo D ............................................................................................................196 Tabela 23: Verdade para o flip-flop tipo T .............................................................................................................197 Tabela 24: Modelos comerciais de flip-flop ......................................................................................................... 197 Tabela 25: Execução de uma algoritmo ................................................................................................................ 218 Tabela 26: Programa escrito em assembly, e a representação de instruções em linguagem binária. Código binário tem caráter ilustrativo, podendo haver variações ...............................................................222 Tabela 27: Comando executado em linguagem C, e a produção (em código executável) gerada pela instrução ............................................................................................................................................................................223 Tabela 28: Tipos de dados para armazenar valores ............................................................................................244 Tabela 29: Prefixo de declaração das variáveis ....................................................................................................245 Tabela 30: Operadores ..................................................................................................................................................251 Tabela 31: Operadores avançados ...........................................................................................................................253 Tabela 32: Especificadores de formato ...................................................................................................................281
Sumário 1 Introdução ......................................................................................................................................................................19 2 Eletrônica analógica ....................................................................................................................................................21 2.1 Diodos ............................................................................................................................................................24 2.1.1 Diodo retificador / diodo de sinal ......................................................................................30 2.1.2 Diodo zener .................................................................................................................................32 2.1.3 Diodo emissor de luz ...............................................................................................................35 2.1.4 Fotodiodo ....................................................................................................................................39 2.1.5 Varicap...........................................................................................................................................40 2.1.6 Diodo schottky ...........................................................................................................................41 2.1.7 Diodo túnel .................................................................................................................................41 2.1.8 Como testar um diodo ............................................................................................................41 2.1.9 Optoacopladores ......................................................................................................................42 2.2 Acionamentos a transistor .......................................................................................................................44 2.2.1 Características e aplicações ...................................................................................................46 2.2.2 Transistor bipolar ......................................................................................................................47 2.2.3 Transistor darlington ................................................................................................................58 2.2.4 Transistores de efeito de campo ..........................................................................................58 2.2.5 Transistores CMOS ....................................................................................................................65 2.3 Tiristores .........................................................................................................................................................66 2.3.1 SCR .................................................................................................................................................68 2.3.2 DIAC ...............................................................................................................................................70 2.3.3 TRIAC..............................................................................................................................................70 2.4 Condicionamento de sinal .......................................................................................................................71 2.4.1 Amplificador operacional .....................................................................................................74 2.4.2 Amplificador operacional como comparador ................................................................78 2.4.3 Amplificador operacional como somador .......................................................................81 2.4.4 Amplificador operacional como subtrator ......................................................................81 2.5 Osciladores ...................................................................................................................................................83 2.5.1 Oscilador astável .......................................................................................................................83 2.5.2 Oscilador monoestável ...........................................................................................................85 2.6 Filtros ...............................................................................................................................................................86 2.6.1 Filtro passivo ...............................................................................................................................86 2.6.2 Filtro ativo ....................................................................................................................................89 2.7 Fontes de alimentação ..............................................................................................................................90 2.7.1 Fonte linear .................................................................................................................................92 2.7.2 Fonte simétrica ..........................................................................................................................93 2.7.3 Fonte chaveada .........................................................................................................................94
3 Sensores...........................................................................................................................................................................99 3.1 Sensores digitais .......................................................................................................................................103 3.2 Sensores analógicos ................................................................................................................................107 3.3 Princípio físico ...........................................................................................................................................110 3.4 Sensores eletromecânicos ....................................................................................................................111 3.5 Sensores ópticos ......................................................................................................................................111 3.5.1 Sensor óptico por retrorreflexão ......................................................................................114 3.5.2 Sensor óptico por reflexão difusa ....................................................................................114 3.5.3 Sensores ópticos por transmissão ...................................................................................115 3.5.4 Sensores ópticos através de cabos de fibra óptica ....................................................115 3.5.5 Sensor de barreira óptica de segurança ........................................................................116 3.5.6 Sensores a laser.......................................................................................................................117 3.5.7 Sensor infravermelho ...........................................................................................................118 3.5.8 Relés fotoelétricos .................................................................................................................118 3.5.9 Visão artificial ...........................................................................................................................119 3.6 Sensor de ultrassom................................................................................................................................119 3.7 Sensores indutivos ..................................................................................................................................121 3.8 Sensores capacitivos ...............................................................................................................................122 3.9 Sensores magnéticos ..............................................................................................................................124 3.10 Sensor de pressão .................................................................................................................................125 3.11 Sensores de aceleração .......................................................................................................................126 3.12 Extensômetros e células de carga .................................................................................................. 127 3.13 Sensores de vazão .................................................................................................................................128 3.14 Sensores de temperatura ...................................................................................................................130 3.14.1 Tipos de termopares ...........................................................................................................132 3.14.2 Sensor infravemelho aplicado à medição de temperatura ..................................135 3.14.3 Termodinâmica aplicada à leitura de temperatura .................................................135 3.15 Sensores de posicionamento ............................................................................................................136 3.15.1 Sensores de posição linear ...............................................................................................137 3.15.2 Encoders absolutos .............................................................................................................138 3.15.3 Encoders incrementais ou relativos ..............................................................................139 3.16 Transdutores / Conversores ...............................................................................................................142 3.16.1 Transdutores passivos ........................................................................................................143 3.16.2 Transdutores ativos .............................................................................................................143 3.16.3 Transdutores industriais ....................................................................................................144 3.16.4 Conversores de sinal ...........................................................................................................145 4 Sistemas digitais ........................................................................................................................................................ 149 4.1 Vantagens das técnicas digitais ..........................................................................................................153 4.1.1 Limitações das técnicas digitais ........................................................................................154 4.2 Circuitos combinacionais e sequenciais ..........................................................................................156 4.3 Circuitos lógicos .......................................................................................................................................156 4.3.1 Noções de álgebra booleana .............................................................................................156
4.3.2 Tabela verdade ........................................................................................................................157 4.3.3 Portas lógicas...........................................................................................................................158 4.3.4 Operadores da álgebra booleana ....................................................................................160 4.3.5 Teoremas e leis da álgebra booleana ..............................................................................161 4.3.6 Expressões equivalentes e complementares ...............................................................163 4.3.7 Universalidade das portas NAND e NOR .......................................................................164 4.3.8. Simplificação de circuitos lógicos ...................................................................................165 4.4 Circuitos multiplexadores e demultiplexadores ...........................................................................169 4.4.1 Circuitos multiplexadores ...................................................................................................169 4.4.2 Circuitos demultiplexadores ..............................................................................................173 4.5 Conversores D/A e A/D ..........................................................................................................................177 4.5.1 Conversor A/D .........................................................................................................................180 4.5.2 Conversor D/A .........................................................................................................................181 4.6 Circuitos codificadores e decodificadores ......................................................................................183 4.6.1 Códigos numéricos e alfanuméricos...............................................................................183 4.6.2 Código BCD (Binary Coded Decimal) ..............................................................................184 4.6.3 Circuitos decodificadores ....................................................................................................186 4.6.4 Circuitos codificadores .........................................................................................................188 4.7 Flip-flop (multivibrador biestável) .....................................................................................................189 4.7.1 Flip-flop RS (“reset-set”) .......................................................................................................190 4.7.2 Flip-flop RS síncrono .............................................................................................................191 4.7.3 Flip-flop JK ................................................................................................................................192 4.7.4 Flip-flop JK mestre-escravo (master-slave) ...................................................................193 4.7.5 Flip-flop JK mestre-escravo com preset e clear ..........................................................195 4.7.6 Flip-flop D .................................................................................................................................195 4.7.7 Flip-flop Tipo T.........................................................................................................................196 4.7.8 Modelos comerciais de flip-flop .......................................................................................197 5 Microcontroladores .................................................................................................................................................. 201 5.1 Sistemas embarcados na automação industrial ...........................................................................201 5.1.1 Microprocessadores na Automação Industrial............................................................202 5.2 Microcontrolador .....................................................................................................................................204 5.3 Microcontrolador MICROCHIP PIC .....................................................................................................206 5.3.1 Recursos de um microcontrolador PIC ...........................................................................208 5.4 Arquivos executáveis para microcontrolador ................................................................................213 5.5 Transferindo o programa .......................................................................................................................214 5.5.1 BOOTLOADER – Técnica para autoprogramação........................................................ 216 5.6 Algoritmos ..................................................................................................................................................217 5.7 Fluxograma ................................................................................................................................................220 5.8 Compilador ................................................................................................................................................221 5.8.1 Erros de compilação ..............................................................................................................224 5.9 Linguagem C .............................................................................................................................................224 5.9.1 Criação de um programa ....................................................................................................225
5.9.2 Como compilar .......................................................................................................................227 5.9.3 Transferindo o programa HEX ...........................................................................................230 5.9.4 Laço infinito .............................................................................................................................231 5.9.5 Cuidados com pontuação e alinhamento.....................................................................233 5.9.6 Comandos para acionamento das saídas digitais ......................................................236 5.9.7 Comandos para leitura das Entradas digitais ..............................................................239 5.9.8 Tipos de dados ........................................................................................................................241 5.9.9 Nome das variáveis................................................................................................................246 5.9.10 Local da declaração de variáveis ....................................................................................246 5.9.11 Tipos de dados complexos ...............................................................................................248 5.9.12 Operadores ............................................................................................................................250 5.9.13 Paradigmas de programação ..........................................................................................257 5.9.14 Estruturas de controle de fluxo ......................................................................................258 5.9.15 GOTO (vá para...) ..................................................................................................................259 5.9.16 IF (condição se...) ..................................................................................................................260 5.9.17 SWITCH / CASE (escolha) ...................................................................................................262 5.9.18 WHILE – Estrutura de repetição ......................................................................................265 5.9.19 DO – WHILE (faça/enquanto)...........................................................................................267 5.9.20 FOR (para) ...............................................................................................................................267 5.9.21 Chamadas a funções / sub-rotinas ................................................................................269 5.9.22 Passagem de parâmetros .................................................................................................271 5.9.23 Passagem de parâmetros por referência ....................................................................275 5.9.24 Retorno de dados ................................................................................................................276 5.9.25 Uso de display alfanumérico ...........................................................................................276 5.9.26 PRINTF .....................................................................................................................................279 5.9.27 Comunicação serial .............................................................................................................282 5.9.28 ADC – Conversão analógica/digital ..............................................................................285 5.9.29 PWM .........................................................................................................................................290 Referências ........................................................................................................................................................................295 Minicurrículo do Autor .................................................................................................................................................298 Índice ..................................................................................................................................................................................299
