Módulo principal do coletor de dados para uso em campo

  • Número do pedido da patente:
  • MU 7602399-0 U2
  • Data do depósito:
  • 19/12/1996
  • Data da publicação:
  • 27/10/1998
Inventores:
  • Classificação:
  • G06F 3/05
    Disposi??es de entrada para transferir dados a serem processados para uma forma capaz de ser manipulada pelo computador; disposi??es de sa?da para transferir dados da unidade de processamento para a unidade de sa?da, p. ex. disposi??o de interface; / Entrada digital usando amostragem de uma quantidade anal?gica a per?odos regulares de tempo;
    ;

Patente de Modelo de Utilidade para ". MÓDULO PRINCIPAL DO COLETOR DE DADOS PARA USO EM CAMPO". , desenvolvido para facilitar a coleta automático de dados de sensor em cmapo, sendo eletrônico, portátil, caracterizado por usar microcontrolador e possuir, memória RAM duplo alimentado com bateria recarregável, interface serial RS232, conexão com teclado 4 por 4, conexão com mostrador de cristal líquido alfa numérico, sinal sonoro, baixo consumo (menos de 40 mAmpéres a 5 Volts), relógio calendário com bateria de back-up, conexão para expansão, proprocionado rapidez, precisão, confiança e eficiência nas tomadas de medidas em campos. Devido à versatilidade, pode-se utilizar o circuito em equipamentos que necessitem de partes das interfaces.

Página de 1

Documento

Relatório descritivo da Patente de Modelo de Utilidade para “MÓDULO PRINCIPAL DO COLETOR DE DADOS PARA USO EM CAMPO”.
INTRODUÇÃO

A presente invenção refere-se a um coletor de dados para utilização em 5 controle e aquisição de dados em campo. A sua principal característica é a versatilidade e baixo consumo. Os dados são armazenados em memória digital alimentado por batería de “back-up”. Um microcontrolador é utilizado para que a aplicação seja programável caracterizando-se como um coletor de dados adequado para atender as atuais exigências e necessidades, de equipamentos em campo os 10 criadores, cooperativas, produtores, universidades e centros de pesquisa.

ESTADO DA TÉCNICA

Uma das ditículdades de medidas automáticas é o registro dos dados obtidos em campo. O registro de dados automáticos possibilitam entre as principais vantagens a eliminação de erros humanos na leitura de sensores; eliminação de perdas 15 de dados ocorridos; sincronismo de leitura entre vários instrumentos e frequência de leitura com intervalos precisos;

Os primeiros registradores dos dados eram mecânicos e efetuados através de papéis. Uma pena deslocava-se no eixo da intensidade da variável a ser medida e o papel no sentido ortogonal de forma a obter um registro gráfico da variável 20 no tempo. Com o desenvolvimento da eletrônica esses registradores foram evoluindo incorporando inicialmente acionadores eletrônicos, e posteriormente surgiram modelos em que os registros eram efetuadas em fitas magnéticas. Nessa época, o grande desafio para o uso em campo era melhorar o meio de proteger o equipamento contra as intempéries da natureza e tomá-lo portátil. Para vencer esses desafios, o equipamento 25 exigia dimensões reduzidas e baixo consumo.

Com o advento da microeletrônica, em especial o dos

microprocessadores digitais, a redução das dimensões’ tornarám-se viáveis' Cõm 'ô crescimento vertiginoso do uso de microprocessadores o custo reduziu-se consideravelmente permitindo a sua aplicação em equipamentos de leitura e armazenamento de dados em campo.

As características principais para que um instrumento microprocessado

portátil possa trabalhar em campo, incluindo-se máquinas agrícolas, são ditadas pela condição em que o equipamento irá trabalhar. As condições de campo são extremamente adversas e entre elas pode-se citar:

•    Grandes distâncias e variabilidade espacial;

•    Grandes variações da umidade relativa do ar,

•    Grandes oscilações de temperaturas;

•    Presença de orvalho, poeiras, ventos fortes, raios solares, fungos e insetos no interior do equipamento;

•    Possibilidades de fortes chuvas e granizo;

■ Indução de altas tensões no circuito através de raios;

•    Baixa qualidade da energia elétrica;

•    Qualidade da mão de obra;

•    Presença de vibração entre outros.

Para atender aos requisitos das condições de uso o equipamento deve possuir, entre as características de construção e de projeto eletrônico, dimensões reduzidas e baixo consumo. Tais características propiciam uma devida proteção ao circuito eletrônico. Possibilita um projeto de caixas com proteções mais eficientes ede fácil transporte.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

O coletor de dados projetado é um equipamento portátil para ser instalado no campo junto aos sensores. Ele efetua a leitura dos sensores e armazena os dados temporariamente. Após um período programado é conectado a um computador e, através de um cabo (interface serial), os dados são transferidos para análise e armazenamento em disco. Vide ilustração encontrada na figura 1.

FUNCIONAMENTO DA INVENÇÃO

Para realizar as funções de leitura, armazenamento e transferência de

m • »    • llli •    ••    •• «MC M ••

l«M • •    • •    • • I I    I • • • I

• • « > t t«i t f    • I « • I •

« t V I t ■ I •    •    9

dados, o coletor possui um painel de operação foftifòátf pdr mtJstfàcfoFaifaWuirrérictt teclado de membrana e sinal sonoro. Ao lado do painel foram instalados conectores de entrada para os sensores.

O coletor de dados foi concebido em três módulos: principal, interface e fonte. O módulo principal é o “cérebro” do coletor de dados e é o responsável pelo funcionamento lógico, armazenamento dos dados, armazenamento do programa, comunicação com o computador e sincronismo das leituras. Também tem a função de se comunicar com o usuário através de mostrador alfanumérico de cristal líquido (compatível com LCM-1662-0555 com boa visibilidade em dias de luminosidade

intensa), teclados de membrana (8X8 contra umidade e poeira, interface 4512) e sinal sonoro (sonalarme 12VC). Para a conexão com um computador é utilizada a interface serial RS232C (compatível com ICL232), padrão de comunicação encontrado em todos os tipos de computadores. O sincronismo de leitura é efetuado pelo relógio calendário (compatível com DS1287).

O módulo de interface é o elemento que converte os sinais dos sensores para dados digitais adequados ao módulo principal. O módulo fonte distribui a alimentação do equipamento e protege os circuitos eletrônicos de ruídos gerados pelo trator.

O módulo mais importante tecnologicamente é o principal. A Figura 2 ilustra as suas principais funções. Todo o circuito do módulo é montado em uma placa de 16 por 10 cm e consome apenas 20 mA a 5 Volts. Esses números significam facilidade de proteção contra intempéries e baixíssimo consumo de energia. A Unidade Central de Processamento (UCP) é um microcontrolador da família 8051 de oito bits que trabalha a 12 MHz (compatível com 80C31). Apesar de não ser um processador de alto desempenho, tem capacidade de efetuar mais de duas mil leituras em um segundo, possibilitando processamento digital do sinal em tempo real. A grande vantagem desse microcontrolador é o seu largo emprego em aplicações dedicadas. Conseqüentemente tem baixo custo, disponibilidade no mercado e várias opções de produtos de suporte para desenvolvimento de projetos.

O sistema operacional desenvolvido foi gravado em memórias EPROM *

(Erasable Program Memory) com capacidade de 64 Kbytes (compatível com 27C256).

O programa desenvolvido tem capacidade para ‘gefeiiôiar' 256' aríjlifttfS dè dlfdoS" controlar a comunicação com computador, mostrar e ajustar a hora e a data. e

> «    •

• •••    •

• «


coordenar a leitura de todos os sensores. 0 arquivo é gravado com a hora e a data do

experimento e um nome alfanumérico editado pelo usuário através do teclado de membrana possibilitando identificar os experimentos realizados em campo. A capacidade de armazenamento de dados é de mais de 100 mil dados com precisão de 0,5 % (oito bits) em até quatro memórias RAM (Randon Access Memory) estática (compatível com 62256) As memórias são alimentadas duplamente pela alimentação principal e secundária. A alimentação secundária é efetuada pela batería recarregàvel

localizada na própria placa, denominado de batería de “back-up". A batería de “back-up” assegura à memória uma alimentação minima necessária para manter os dados mesmo com a alimentação principal cortada (equipamento desligado). Com essa capacidade é possível efetuar uma leitura por segundo durante mais de um dia ininterruptamente ou mais de dois meses no intervalo de leitura de um minuto. O relógio/calendário instalado, possibilita que o coletor se “desligue” temporariamente para consumir menos energia e programá-lo para que seja ativado automaticamente em um determinado dia, hora, minuto e segundo.

O relógio, com batería de “back-up”, proporciona não somente a hora como também a data. A UCP pode consultá-lo quando necessário. Possui saída de pulsos programável de modo a enviar, a cada período programado, um sinal para marcar precisamente o tempo. Essa salda de pulsos é conectada ao pino de interrupção possibilitando a execução de uma rotina de aquisição a cada período ou “acordar” a UCP quando no modo “hibernação” para menor gasto de energia.

A grande versatilidade deve-se principalmente à presença de uma conexão para expansão do equipamento. Através da expansão pode-se projetar outros módulos para efetuar leituras de sensores que requerem uma interface còm ftmções mais complexas ou até para ativar elementos elétricos como lâmpadas, motores e bombas. Na conexão para expansão foi utilizado um euro conector 3 por 32 com as seguintes características:

Tabela 1: Descrição dos elementos lógicos do conector de expansão Código    Descrição


vcc

Tensão de alimentação" 5 V.............

GND

Tensão de referência

PWON

Power On (liga o circuito remotamente)

REX

Reset externo

NSEX

Seleção de circuito programável negado

P1.0aP1.7

Porta paralela de 8 bits do 80C31

AO a Al5

Bus de endereços de 16 bits

DBO aDB7

Bus de dados de 8 bits

D AO ADA7

Bus de dados e endereços dos oito primeiros 8 bits do 80C31

NSP5 aNSP7

Seleção para 3 circuitos programáveis

RD/WR

Habilitação de leitura e escrita

NRD

Habilitação de leitura com lógica negada

NWR

Habilitação de escrita com lógica negada

NRDB

Habilitação de leitura com lógica negada bufferizada

NWRB

Habilitação de escrita com lógica negada bufferizada

TOeTl

TimerO e I do 80C31

INT 1

Interrupção 1 do 80C31

ALE

Addres Latch Enable do 80C31

SQW

Saída de freqüência programada do DS1287

RXDeTXD

Porta serial programável do 80C31


Essa versatilidade de funcionamento permite que o módulo principal seja aplicado em outros projetos como circuito principal.

As características e vantagens de novidade da invenção são apontadas nas reivindicações que fazem parte desta solicitação, e podem ser melhor compreendidas através da descrição detalhada mostradas nos diagramas esquemáticos do circuito.

O esquema elétrico anexo mostra detalhadamente o circuito do módulo principal projetado. A UCP do módulo principal, Figura 3 (1), é projetada com uma EPROM 27512, latch de dados e endereços com 74HC373, e circuito lógico para possibilitar o início (“restart”) remoto. O banco de memórias, Figura 4 (2), são

formadas por um até quatro componentes 62256 selecidnádÍTpelt) cifCÚittJ d&*SeíéÇão" " de memória, Figura 6 (9), e possui a dupla alimentação advinda do circuito de batería, Figura 6 (8), e alimentação principal (Vcc). O circuito do relógio calendário, Figura 7 (12), é ligado à porta de interrupção da CPU através do sinal (INT1) de modo a 5 possibilitar o funcionamento em horas programadas. O circuito Figura 6 (10), é projetado para que a alimentação principal fosse desligado através da própria CPU. O circuito do sinal sonoro, Figura 4 (3), é projetado para obter um som audível através do sinal advindo de seleção de periférico.. Figura 6 (7), ou de teclado, Figura 5 (4).

Para interface com o teclado foi projetado o circuito com 74C923, Figura 5 (4). A

10 interface serial é efetuado pelo componente ICL232, Figura 7 (11). 0 mostrador de cristal liquido possui interface quase direto com a UCP a menos do sinal de seleção para a sua habilitação. Figura 8 (14). Os outros circuitos Figura 5 (5), Figura 5 (6) e Figura 7 (13). foram aproveitados para “bufferizar” a saída para a conexão de expansão Figura 8(15).

REIVINDICAÇÕES

1)    “Módulo principal do coletor de dados para uso em campo” caracterizado por uso de microcontrolador 80C31, Figura 3 (1), com memória RAM (até 128 Kbytes) duplo alimentado com bateria recarregávél, Figura 4 (2), interface

5 serial RS232, Figura 7(11), interface para conexão com teclado 4 por 4, Figura 5 (4), interface para conexão com mostrador de cristal liquido alfanumérico, Figura 8 (14), sinal sonoro. Figura 4 (3), relógio calendário com bateria de back-up, Figura 7(12), conexão para expansão (euro conector 3X32), Figura 8 (15).

2)    “Módulo principal do coletor de dados para uso em campo”

10 conforme reivindicação um, caracterizado por uso de baixo consumo (menos de 40 mA a 5 Volts).

3)    “Módulo principal do coletor de dados para uso em campo” conforme reivindicação um e dois, caracterizado por um circuito que ocupa uma área de 103 mm por 160 mm.

15    4) “Módulo principal do coletor de dados para uso em campo”

conforme reivindicação um e dois, caracterizado pela presença de sinais descritos na tabela 1 disponível na conexão de expansão, Figura 8 (15).

i I • a •    •    •    •    •

• •    •    ii •• •••* «• «a    • •


Fig. 1.


Conexão para Expansão


%


UCP

Unidade Central de Processamento

mlcrocont ralador de 8 bits -12 MHz


Mostrador


Cristal líqiido alfa numérico


■mm


mim



EPROM

memória somente para feitura

programa 64 Kbytes


Teclado


membrana 4X4


noa

noa

DOO

aoo


Fig. 2.



RAM

memória com batería de back-up

dados 126 Kbytes


Beep


sinal sonoro




Relógio/

Calendário


data e hora


RS-232C


comunicação seriai para

microcomputador.




Figura 3

••

•••••


•• *


• • • 0


0

0








Afi.

JÜÜS.




JSt.

&



• •




••••

t

« • ••


• »

• • • • *•« t

• «


m

!•« 9 9 9 9 • • ♦


I tl«l « ■ t •

• •

• •

• •



Figura 7


tM> ••    •»

I I « •    •

%    9    9    •    9

I ••«    • ••



•• ••



Figura 8


H ••«• Sfl I •    * ■    •

• •

• • • • ■ *r


RESUMO

Patente de Modelo de Utilidade para ‘MÓDULO PRINCIPAL DO COLETOR DE DADOS PARA USO EM CAMPO”, desenvolvido para facilitar a coleta automático de dados de sensor em campo, sendo eletrônico, portátil, 5 caracterizado por usar microcontrolador e possuir, memória RAM duplo alimentado com batería recarregável, interface serial RS232, conexão com teclado 4 por 4, conexão com mostrador de cristal liquido alfa numérico, sinal sonoro, baixo consumo (menos de 40 mAmpéres a 5 Volts), relógio calendário com batería de back-up, conexão para expansão, proporcionando rapidez, precisão, confiança e eficiência nas 10 tomadas de medidas em campo. Devido à versatilidade, pode-se utilizar o circuito em equipamentos que necessitem de partes das interfaces.