Circuito de Entrada Analógica Isolada para Arduino

Componentes e Materiais

• Arduino UNO – 1 unidade
• LM331 (Conversor Tensão-Frequência) – 1 unidade
• LM7808 (Regulador 8V) – 1 unidade
• Optoacoplador 4N25 – 1 unidade
• Diodos 1N4001 – 4 unidades (ponte retificadora + proteção)
• Resistores de precisão 1% (100k, 10k, 12k, 6.8k, 3.3k, 330, 270, 47, 220 Ω)
• Potenciómetro multivoltas 5 kΩ (ajuste de ganho)
• Capacitores: 100nF, 10nF, 1µF, 4.7µF, 220µF (Mylar/eletrolíticos)
• Transformador pequeno (isolamento galvânico, ex: 12V+12V / 50mA)
• Jumpers / bornes para seleção tensão/corrente (4–20 mA)

Ferramentas

• Ferro de soldar, placa de ensaio ou PCB

Software

• Arduino IDE
• Biblioteca FreqCounter (Martin Nawrath) – download

Sobre o Projeto

Sinais de sensores industriais (0–5V, 4–20 mA) sofrem com ruído (EMI, surtos, loops de terra). A solução robusta: isolamento galvânico total entre sensor e Arduino, com alimentação isolada para o lado de campo.

Princípio de Funcionamento

1. Lado de campo (isolado): Transformador alimenta LM7808 → 8V estáveis. Sinal de entrada (tensão 20mV–5V ou corrente 4–20mA via jumper W1 + resistor 250Ω) entra no LM331 configurado como conversor V/F (ganho ≈ 1 kHz/V ajustado por P1).
2. Isolamento: Saída de frequência do LM331 (onda quadrada) aciona LED interno do 4N25. Fototransistor do 4N25 conduz no lado do Arduino.
3. Lado Arduino: Coletor do 4N25 → pino D5 (T1/PD5) com pull-up 2.2kΩ a 5V. Arduino mede frequência com Timer1 (biblioteca FreqCounter).

Medição de Frequência vs Período

Duas abordagens:

• Período (pulseIn()): Mede HIGH+LOW. Rápido, mas resolução baixa (µs) e sensível a ruído 50/60 Hz.
• Frequência (FreqCounter + Timer1): Conta pulsos numa janela de tempo (gate). Escolhido gate = 1000 ms (múltiplo de 50/60 Hz → imunidade a ruído de rede). Resolução 5× superior ao Arduino sozinho.

Código Arduino

#include <FreqCounter.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Entrada analógica optoisolada");
}

long int frq;

void loop() {
  FreqCounter::f_comp = 0;          // Compensação zero
  FreqCounter::start(1000);         // Gate 1000 ms
  while (FreqCounter::f_ready == 0); // Aguarda fim
  frq = FreqCounter::f_freq;        // Lê frequência
  Serial.println(frq);              // Envia via serial
  delay(100);
}

Calibração

li>Aplique tensão conhecida (ex: 1.000V) na entrada.
1. Ajuste potenciómetro P1 até ler ~1000 Hz no monitor serial.
2. Verifique linearidade em 0.5V, 2.5V, 5.0V.
3. Para 4–20 mA: insira jumper W1 (resistor 250Ω), aplique 4 mA → ~400 Hz, 20 mA → ~2000 Hz.

Esquema Elétrico

Ver secção Schematics: entrada → divisor/ponte → LM331 → 4N25 → Arduino D5. Alimentação isolada via transformador + LM7808. Para entrada 10V, troque LM7808 por LM7815 e ajuste transformador.

Vantagens

• Isolamento galvânico total (até ~2.5 kV).
• Imunidade a ruído comum (common-mode) e diferenças de potencial de terra.
• Medição de frequência robusta (gate 1s = rejeita 50/60 Hz).
• Suporta tensão (mV a V) e corrente (4–20 mA) com jumper.