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    • Gabriel Torres

      Seja um moderador do Clube do Hardware!   12-02-2016

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nick4xd

Suporte com Projeto Morsa Eletrônica

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Postado (editado)

Boa tarde a todos!

 

Estou realizando um projeto de uma morsa eletrônica. A ideia é a seguinte:

 

Dois botões, B1 para fechar a morsa, B2 para abrir a morsa.

B2 funciona em qualquer situação (Liga um relé que chaveia o motor para o sentido de recuo da morsa)

B1 só funciona quando eu não tenho pressão demasiada no mordente fixo da morsa (Haverá uma célula de carga do tipo palito)

 

Para a realização deste circuito, o dividi em 4 partes, sendo elas:

1 - Regulagem da tensão para 5V (Alimentação da célula de carga)

Spoiler

5b0d893e9ccf4_1-Reguladordetensoparaalimentaodacluladecarga.PNG.13cdfaa272a7d68c655cd285cb31c721.PNG

2 - Amplificação do sinal da célula com ganho 10

Spoiler

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3 - Comparação do sinal amplificado com uma resistência variada, através de potenciômetro (daí vem a regulagem da pressão no mordente fixo)

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4 - Acionamento do motor

Spoiler

5b0d8940eccfc_4-Controledomotor.PNG.85682e0e8ceaee813941e4c601e42ad5.PNG

 

Em anexo, arquivo rar com PDF do circuito completo e projeto do proteus para quem tiver o software.

 

Meu pedido é para os mais experientes me auxiliarem se há algo errado, ou pontos de melhoria. Não consegui testar fisicamente ainda. E quem souber como simular isso no proteus, agradeceria a ajuda (Imagino que tenho que substituir componentes que não são simuláveis...)

 

Enfim, qualquer melhoria ou correção são bem vindas.

 

Especificações do circuito:

Alimentação: Fonte simétrica 12V

Célula de Carga:

     Capacidade: 1Kg;

     Alimentação: 5 Vcc

AOP: UA741 ganho 10

Comparador: LM339

Motor DC 12V

 

Morsa.rar

0 - Fonte simétrica (Através de duas fontes simples).PNG

Editado por nick4xd

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Por qual razão usou a topologia de amplificador de áudio para ter amplificação? Por acaso sua célula emite um sinal pulsado a ser desacoplado? Sendo uma saída DC e uniforme se livra da necessidade da fonte simétrica. Por qual razão não compara a célula de carga direto com a referência? Não consigo entender essa pré-amplificação.

2 - Amplificação do sinal da célula de carga com ganho 10.PNG

A outra questão é o aperto. Ao se pensar numa automação, temos que pensar na operação sendo feita de forma manual, entender o que acontece nos menores detalhes para então transferir essa função (comportamento) para o circuito de automação. Quando se está apertando algo numa morsa temos a etapa inicial onde o mordente sequer está encostado ao objeto e o giro do fuso é livre. Ao se encostar o objeto, com um movimento mínimo do fuso se alcança o aperto. Até se pode fazer uso de relés para direcionamento do sentido de rotação, mas o desligamento do motor de aperto tem que ser feito por algo mais rápido que um relé. Coloque um transistor entre a linha que vai ao GND e o GND para ter desligamento rápido do motor.

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Quanto ao uso desta pré-amplificação, é por que o sinal obtido pela célula de carga está na ordem dos mV. 1Kg de pressão na célula me retorna algo em torno de 9,85mV. Penso que esta seja uma escala muito ruim para se comparar (seria esse o questionamento da amplificação??). E pelo fato da alimentação do 741 ser simétrica, acabei utilizando duas fontes para alimentá-lo.

Entendo que pela característica do sinal de saída da célula, posso descartar os capacitores do ckt amplificador, ficando apenas o 741 e resistores.

Quanto ao controle do motor, inseri um controlador de velocidade PWM

Spoiler

5b0ef55bc62bd_4-Controledomotor.thumb.PNG.f6f06082a1037c3d025c393ea8d6ac19.PNG

 

Ainda do jeito que está não terei o desligamento rápido... Não peguei essa do transistor. 

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2 horas atrás, nick4xd disse:

Entendo que pela característica do sinal de saída da célula, posso descartar os capacitores do ckt amplificador, ficando apenas o 741 e resistores.

Não se trata de poder descartar ou não, a questão aqui não é economia. Com os capacitores somente variação de tensão passa, daí ser utilizado em áudio. Se tem um sinal de característica contínua e coloca esse capacitor sua leitura vai pro saco.

2 horas atrás, nick4xd disse:

E pelo fato da alimentação do 741 ser simétrica, acabei utilizando duas fontes para alimentá-lo.

Encontrou no operacional algum pino de GND além do Vcc e do Vss? Se estamos trabalhando com sinal contínuo que é sempre positivo a utilização de fonte simétrica se torna discutível.

 

10 horas atrás, Sérgio Lembo disse:

Até se pode fazer uso de relés para direcionamento do sentido de rotação, mas o desligamento do motor de aperto tem que ser feito por algo mais rápido que um relé. Coloque um transistor entre a linha que vai ao GND e o GND para ter desligamento rápido do motor.

 

2 horas atrás, nick4xd disse:

Quanto ao controle do motor, inseri um controlador de velocidade PWM

Que bom. Temos algo mais rápido que os relés para interferir. No pino de restart do 555 que está ligado ao Vcc, coloque um resistor de 10K entre este e o Vcc. Faça com que sua comparação de referência com o retorno da célula zere, através de um transistor a tensão sobre o restart. O PWM parará instantâneamente e terá a parada rápida do motor.

adicionado 18 minutos depois
2 horas atrás, nick4xd disse:

Quanto ao uso desta pré-amplificação, é por que o sinal obtido pela célula de carga está na ordem dos mV. 1Kg de pressão na célula me retorna algo em torno de 9,85mV.

Com o uso de comparadores (os baratos tem off-set de entrada máxima de 2mV) consegue ter um range em modo comum de Vss - 0,3V até Vcc - 1,5V. Se quiser amplificar um sinal tão pequeno, vai necessitar de um operacional de precisão (off-set <300uV) como o OPA07. Nesse caso irá necessitar de fonte simétrica, esse operacional tem a faixa de entrada mais estreita que um comparador. Continuo preferindo o uso de um comparador recebendo a leitura direto da célula de carga.

Sobre a célula de carga: As que conheço variam o valor da resistência, se usa a famigerada ponte de Whetstone (é assim que se escreve?), não é recomendado se fazer a leitura de forma tão simples mas coisas novas sempre surgem. Que modelo pretende utilizar? Poste o datasheet.

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Em 30/05/2018 às 19:06, Sérgio Lembo disse:

Faça com que sua comparação de referência com o retorno da célula zere, através de um transistor a tensão sobre o restart. O PWM parará instantâneamente e terá a parada rápida do motor.

Desculpe, mas essa parte não estou entendendo. 

 

Tem alguma sugestão para usar de indicador da tensão de referência? Algo para visualizar o nível de pressão definida pelo usuário?

 

Edit

Estou para modificar a etapa de amplificação. Usarei apenas o LM324. Por ser um CI com 4 AOP, posso usar um deles para amplificar, outro para comparar. Posso usar os dois que sobraram como buffer, e assim aumentar a impedância de entrada do meu amplificador.. Em breve, (amanhã) postarei as modificações..

Editado por nick4xd
Nome incorreto do CI

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59 minutos atrás, nick4xd disse:

Tem alguma sugestão para usar de indicador da tensão de referência? Algo para visualizar o nível de pressão definida pelo usuário?

Serve um bargraph? LM3914

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Postado (editado)
Citação

Serve um bargraph? LM3914

Estava pensando nele mesmo. Usei uma vez para um sensor de temperatura.

 

Segue novamente PDF do circuito e screenshots das etapas do mesmo. 

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0.PNG.9522fd68aa7a075f0cd8ab8c37fc2e45.PNG

 

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1.PNG.c3c13bc25e7fb15187f35dab5b5e6aa3.PNG

 

 

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2.PNG.c8d7493e01a601aa064149114d28b07b.PNG

 

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3.thumb.PNG.173e23a9b06561798538bb82d4b4024c.PNG

 

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4.PNG.a76851cb425d6afa7a65885b042ada34.PNG

 

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5.PNG.ea52cec1cf4e12bf885b93a82a0f21d9.PNG

 

Spoiler

6.PNG.edbd2c6ae8e87fee10f5c743f45ce4d6.PNG

 

Spoiler

7.PNG.bb3b63d46ff92b2cc57198b1fc91739a.PNG

Agora ficou mais robusto. O que acha?

Projeto Morsa.PDF

Editado por nick4xd

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Fiz o teste prático. A amplificação não funciona.. Tentei realizar a comparação direto com o sinal de saída da célula de carga, mas quando aterro o negativo da célula (Vout -), a ddp (entre Vout + e Vout -) vai para 2,3V.. Quando removo o negativo do terra, a ddp volta para a ordem dos mV...

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Quando perguntei o porquê não fazia uma leitura direta não sabia se tratar de um sensor de ponte.

Se, por uma questão de custo (> R$30,00) não está a fim de comprar um amplificador de instrumentação, ao menos copie o circuito equivalente. Segue um datasheet de um amplificador adequado para ter uma ideia do que precisa.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina121.pdf

 

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Em 30/05/2018 às 19:06, Sérgio Lembo disse:

adicionado 18 minutos depois

Com o uso de comparadores (os baratos tem off-set de entrada máxima de 2mV) consegue ter um range em modo comum de Vss - 0,3V até Vcc - 1,5V. Se quiser amplificar um sinal tão pequeno, vai necessitar de um operacional de precisão (off-set <300uV) como o OPA07. Nesse caso irá necessitar de fonte simétrica, esse operacional tem a faixa de entrada mais estreita que um comparador. Continuo preferindo o uso de um comparador recebendo a leitura direto da célula de carga.

Sobre a célula de carga: As que conheço variam o valor da resistência, se usa a famigerada ponte de Whetstone (é assim que se escreve?), não é recomendado se fazer a leitura de forma tão simples mas coisas novas sempre surgem. Que modelo pretende utilizar? Poste o datasheet.

Passei despercebido por essa mensagem, desculpe. Então, a célula de carga utilizada para o projeto é: http://aeph.com.br/upload/produtos/celulas-de-carga/159228303.pdf

Precisão de 1Kg.

 

Em 04/06/2018 às 02:00, Sérgio Lembo disse:

Se, por uma questão de custo (> R$30,00) não está a fim de comprar um amplificador de instrumentação, ao menos copie o circuito equivalente. Segue um datasheet de um amplificador adequado para ter uma ideia do que precisa.

http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ina121.pdf

 

Quanto ao amplificador de instrumentação, qual se referia? 

Tentarei utilizar este INA121 também. Se entendi bem, basta ligar a saída da célula nos pinos 2 e 3, um resistor de 50R entre 1 e 8 (Ganho = 1000) e alimentá-lo de forma simétrica. Aí verificarei a etapa de comparação novamente.

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- Adotando-se R2 = R3 = R4 consegue-se alterar o ganho do circuito apenas variando R1 (calibragem simples).

- O LM324 vem com 4 operacionais (sobra 1 para sua comparação com setup).

- O LM324 faz leitura em modo comum de Vss-0,3V até Vcc - 1,5V. (uso de fonte simples)

- O LM324 tem seu Vout a partir de Vss. (uso de fonte simples).

- O off-set do LM324 é de 2mV. (creio não ser significativo para a sua aplicação).

Acaba sendo a mesma coisa que o INAxxx se for aceitável a velocidade do LM324 e respectivo off-set. A família INA é muito mais rápida e possui off-set mais baixo.

No final com esse circuito terá uma saida linear com início muito próximo a zero determinada pela equação S = a*x + b onde:

a = pressão em kgf sobre o mordente

x = relação volts por kgf

b = soma dos off-sets do conjunto célula de carga e circuito amplificador (vai resultar em valor muito pequeno, fácil de se administrar).

Editado por Sérgio Lembo
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Bom dia. Desculpe a demora.

Primeiramente, obrigado pelo esclarecimento. Agora sim consegui realizar uma amplificação boa na célula de carga. Coloquei o transistor para chavear o relé, tendo o desligamento rápido do motor (perceptível que a morsa avançava um pouco mais do que o necessário).

Entretanto, não consegui realizar o ajuste de zero do sinal amplificado. Conforme eu aumentava o ganho, meu zero ia se deslocando (Se meu R1 = 82R, minha saída à 0 Kgf era algo em torno de 2,3V). Dessa forma, precisei regular minha referência a partir desse valor.

 

Condicionador de sinal industrial: https://www.omega.com/manuals/manualpdf/M4738.pdf

 

Esse condicionador possui dois ajustes. ZERO e SPAN, ambos através de um trimpot ligado ao amplificador de instrumentação (mas não sei como é ligado, talvez uma leitura mais profunda nos datasheets para saber...).

Provavelmente, a combinação dos dip switch irão selecionar o resistor 1, responsável pelo ajuste do ganho. Me deixa curioso também, saber o que/como seria aquele filtro, na saída da amplificação (Seria um filtro passa alta e baixa??)

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Filtro é para quando se tem problemas de ruído, não é o seu caso.

Sobre o seu problema: são tantos os detalhes que por vezes não percebemos alguns deles. Sua saída é ax + b ou se preferir, ax + bx, onde:

a = pressão sobre célula de carga x relação mV/kg

x = ganho do amplificador

b = off-set da célula de carga.

Sendo o off-set um valor fixo (mas que varia de célula para célula), a responsabilidade da célula é apresentar um a linear (sendo que este a também varia de célula para célula).

O amplificador não sabe distinguir o que é deflexão da célula de carga e off-set, ao variar o ganho varia também o bx da saída.

Os fatores acima não tornam a célula vagabunda, a responsabilidade dela está na linearidade e repetibilidade individual, célula a célula e não entre elas. Existem resistores de valor fixo de alta exatidão, resistores variáveis de alta linearidade mas ainda não se tem ambos num só pacote, ainda temos que conviver com isso. Já trabalhei com potenciômetros de alta linearidade (0,01%), construção esmerada, uso de ouro nas partes móveis, 2 micro-rolamentos, ajuste de pressão da pena sobre a pista e 10% de tolerância no valor total. Sua qualidade estava na linearidade. Vai ter que fazer um off-set após o estágio de amplificação, o que não é difícil ou então colocar um resistor sob o potenciômetro de setup para ter e mesmo efeito, o que dá na mesma.

 

Olhando para o circuito abaixo, note que o resistor R7 é ligado ao GND. Se, ao invés do GND colocar uma tensão DC a saída terá uma elevação do mesmo valor. Então, como já sabemos que teremos que lidar com a questão de um componente DC somado na saída, a solução mais comum é trabalhar com esse componente DC no estágio de amplificação. Não sabemos de quanto será esse componente, varia de célula para célula e ainda temos a questão da tara sobre a célula mas sabemos que:

- a tara por fatores construtivos é fixa.

- o off-set da célula é fixo.

No seu caso, foi verificado que a 0 kg de carga se tem 2,3V na saída para o ganho escolhido. Esses 2,3V se referem ao fator individual da célula, à relação V/kg na saída do amplificador (que após o tunning do projeto deverá ser fixo), a tara e a variáveis da montagem (+ ou - aperto, etc). Podemos então fixar um valor fixo de 3V para ser o nosso 0 kg. A cada remontagem da célula ou qualquer outra intervenção, com a célula a 0 kg calibrar a tensão sobre R7 para se ter 3V na saída do amplificador e o resto do projeto, por ter sido pensado para 3V de off-set não precisará ser recalibrado. . Caso se tenha substituído a célula, terá tb que calibrar o ganho (RG) para ter a relação V/kg preservada. Note que nos amplificadores de instrumentação já prontos (família INA) esse ajuste de off-set é oferecido com o nome de REF.

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Superada as questões acima terá na saída do amplificador V/kg + 3V. Como a característica do seu projeto prevê uma comparação a um setup, este poderá começar em 3V ou poderá fazer uma subtração de 3V antes da comparação, mas isso é outra história. No momento estamos tentando condicionar essa célula.

Editado por Sérgio Lembo

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