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Esboço conceitual embrionário do esquema
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Idéias para um Monitorador da Rede Elétrica
Rec 10-jan-2008 21:00
De uns temos pra cá tem ocorrido diversos casos onde projetei sistemas de computador que
são instalados em lugares com suprimento de energia intermitente. O problema é que eu
só me dava conta da quantidade de quedas de energia nesse lugares depois de ter instalado
os sistemas neles, resultado em indisponibilidades freqüentes.
Isso me fez desejar ter um registrador automático especializado em monitorar a
linha elétrica, que tomasse nota dos horários e durações exatas das interrupções
de energia (ou melhor ainda, sobretensões e subtensões). Seria legal também se ele
medisse a freqüência da onda da corrente alternada (60Hz aqui no Brasil), pois ela
varia com a carga na rede.
O primeiro passo em todo projeto é a pesquisa, claro. Através do Google, achei
esse projeto no site do
Concurso de Projetos AVR 2004 da revista americana Circuit Cellar. Apesar do
projeto ter muito a ver com o que eu quero, fiquei meio incerto quanto a um
detalhe: ele não parecia otimizado para registrar "soluços" rápidos no fornecimento
de energia elétrica -- a onda CA é filtrada por um capacitor. Esse capacitor
torna o tempo de reação do dispositivo baixo. Ele também não oferecia uma bateria
de serverva para mantê-lo vivo durante faltas de luz longas, algo que considero
obrigatório em um aparelho desse tipo. Além disso, acho que o projeto poderia
ser consideravelmente simplificado.
Registrar esses soluços é umportante pra mim precisamente porque eles acontecem
bastante nos lugares que mencionei. Em muitas ocasiões, a força cai por apenas
um segundo (talvez menos) -- o que é suficiente para fazer alguns computadores
reinicializarem. Nos lugares onde havia no-breaks, dá pra ouvir os relês clicando
quando ele entra em ação e depois voltam ao normal no instante seguinte.
Também achei o
kill-a-watt
no site da ThinkGeek e a
família de produtos What's Up.
Ler o
manual do Watt's Up Pro certamente
me fez querer um, mas por razões diferentes -- eles são medidores de energia e seriam
sensacionais para otimizar consumo de energia. Todavia, o que eu quero aqui e agora
é outra coisa -- eu quero um registrador de disponibilidade de energia.
Assim sendo, parti para esboçar meus requisitos principais:
- O dispositivo deve funcionar tanto sozinho quanto plugado a um computador
- Deve ser capaz de registrar interrupções no fornecimento elétrico com durações da ordem de décimos de segundo
- Deve armazenar uma quantidade de dados considerável -- ele pode ficar esquecido por meses até que alguém venha coletar os dados
- Deve ser capaz de continuar funcionando mesmo sem energia elétrica externa durante dezenas de horas
Ah, e os requisitos rotineiros de "tão simples quanto possível, barato e sem usar componentes exóticos".
Conseqüências imediatas:
- Se precisa operar sozinho, deveria ter algum tipo de mostrador. Optei por um LCD de 20x4 caracteres, pois haverá muitas estatísticas a exibir. Podemos também precisar de botões.
- Pra funcionar sem energia elétrica, precisamos de baterias. Baterias significam "baixo consumo de energia". Baixo consumo siginifica diodos schottky, tais como o 1N5158, e reguladores de tensão de baixa queda de voltagem, tal como o LM2931.
Rascunhei brevemente um esquema conceitual, mostrado na figura. Tudo começa
com uma variação na fonte de alimentação clássica: a energia elétrica da
tomada é reduzida para 6VAC rms através de um transformador protegido por
um fusível de 100mA. Daí ela segue dois caminhos -- para o condicionador
de sinal e para a unidade de regulação de voltagem. Uma bateria provê
a energia de reserva, com um diodo para evitar correntes reversas que
possam danificá-las. O regulador de voltagem é o clássico LM2931 com um
capacitor de filtragem antes e o de estabilização depois, em um circuito
tirado ao pé da letra do seu
datasheet.
No final, temos 5VDC regulados para a parte digital do circuit (microcontrolador,
LCD, etc).
Se conseguirmos fazer com que o consumo de energia do dispositivo fique abaixo
de 10mA, um conjunto de baterias alcalinas AA comuns de 2800mAh seriam capazes
de manter o dispositivo funcionando por até 280 horas sem energia. Isso dispensaria
a complexidade de incorporarmos baterias recarregáveis e circuitos de
monitoração/recarga.
A unidade de condicionamento de sinal nada mais é que um divisor de voltagem
feito com dois resistores para reduzir os 8.4 Vpp (lembre-se, para converter
volts AC para volts pico-a-pico, multiplique por raiz de dois) vindo
do transformador para metade disso. Com dois resistores de 10k, a corrente
aqui não excederá 0,5mA. Adicionamos um zener de 5V1 para proteger-nos de
sobretensões transientes. Para manter a precisão, é interessante que os
resistores sejam de precisão, com 1% de tolerância. O sinal condicionado
segue para os pinos de ICP (input capture) e ADC (conversor analógico-digital) do
microcontrolador; o primeiro medirá a freqüência, o segundo, as voltagens.
Creio ser uma boa coisa que o ADC receba a corrente alternada "quase crua",
pois isso nos dá bastante flexibilidade na maneira de realizar as medições,
ao preço de uma provável maior complexidade em software. Por exemplo, a
conversão que Vpp para Vrms será feita em software; para evitar a necessidade
de
aritmética de vírgula flutuante, vamos ter de fazer algumas ginásticas com a aritmética
de números inteiros.
Para manter as coisas simples, vamos usar comunicação serial. Sempre podemos
adicionar um conversor serial<->USB depois. Poderíamos usar
USB em software,
mas isso forçaria nosso clock a ser 12MHz e nos traria restrições de temporização formidáveis.
Não quero essa complexidade agora. Ademais, também não decidi ainda como vai ser o
conversor de nível RS232 porque eu queria usar algum esquema eletricamente isolado
usando acopladores óticos, como uma medida de segurança a mais contra uma improvável
mas possível perda de isolamento do transformador. O que eu sei é que eu não quero
um
MAX232 porque ele consome
uns bons 3mA e queremos manter o consumo baixo.
A interface do LCD e o clássico esquema com os sinais E/RS/RW e as
linhas de dados D4..D7, usando a interface de 4 bits. Talvez precisemos de
um pino extra pra podermos ligar o LCD só quando tivermos força externa e
desligá-lo quando operando com baterias, para economizar energia.
Precisamos de algo para o armazenamento de dados. Poderíamos usar um cartão SD,
mas isso traria uma série de fardos: pelo menos 512 bytes de memória para o buffer
de escrita (ou o dobro disso se usarmos
buffers duplos pra leituras não atrapalharem
escritas), o que por sua vez limita nossas opções de microcontrolador; e precisaríamos
de uma linha de 3.3V também, necessitando de outro regulador, além de conversores
de nível para as linhas de dados. Por simplicidade, então, acho melhor usar uma
EEPROM
I2C -- pretendo usar uma 24C512 que eu tenho dando sopa aqui.
Na próxima, consideraremos alguns dos cálculos básicos, seleção do clock e do microcontrolador
e outros pormenores. Até lá.
Próximos posts sobre esse assunto:
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