PG - Janela Automatizada com Persiana para controle de luminosidade

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PG - Janela Automatizada com Persiana para controle de luminosidade

  1. 1. UNIVERSIDADE CATÓLICA DOM BOSCO Centro de Ciências Exatas e da Terra Engenharias Mecânica, Controle e Automação e Elétrica JANELA AUTOMATIZADA COM PERSIANA PARA CONTROLE DE LUMINOSIDADE Nelson Mitugu Yamashita Filho Thiago Cardoso Queiroz Neves Campo Grande - MS Novembro, 2014
  2. 2. JANELA AUTOMATIZADA COM PERSIANA PARA CONTROLE DE LUMINOSIDADE Nelson Mitugu Yamashita Filho Thiago Cardoso Queiroz Neves Projeto de Graduação submetido como parte dos requisitos para obtenção do título de Engenheiro de Controle e Automação. Orientador: Prof. PhD. Marco Hiroshi Naka Co-orientador: Prof. MSc. Cesar Meschiatti Catanho Vargas Campo Grande - MS Novembro, 2014
  3. 3. RESUMO A automação de uma janela proposta neste trabalho é composta por um sistema eletromecânico que tem a finalidade de proporcionar conforto, segurança e economia de energia. Esta janela possui um sistema independente de controle, gerenciado por um microcontrolador da família PIC, modelo 18F45K22. Além do acionamento da janela, o sistema gerencia também o sensor de chuva que proporciona maior comodidade ao usuário. O sistema é integrado com uma persiana capaz de se adaptar às condições ambientais para ajustar a luminosidade no interior do recinto. A utilização desta janela visa à obtenção de economia de energia através da minimização do uso da iluminação artificial, assim como a mitigação da incidência de chuvas no interior dos cômodos. Palavras-Chave: Janela; microcontrolador; LDR; persiana; domótica.
  4. 4. i Lista de Figuras Figura 1- Vista em corte do motor com imã permanente. .................................................................10 Figura 2- Motor de relutância variável em corte................................................................................10 Figura 3- Motor híbrido em corte. .....................................................................................................11 Figura 4- Circuito interno motor unipolar..........................................................................................12 Figura 5- Circuito interno motor bipolar............................................................................................12 Figura 6- LDR....................................................................................................................................15 Figura 7- Gráfico da resposta do LDR...............................................................................................15 Figura 8- Divisor de tensão................................................................................................................16 Figura 9- Divisor de tensão com LDR...............................................................................................17 Figura 10- Circuito equivalente do transistor TIP 122 Epitaxial Darlington.....................................18 Figura 11- Circuito do LDR...............................................................................................................19 Figura 12- Circuito da referência do usuário. ....................................................................................19 Figura 13- Circuitos dos sensores. .....................................................................................................20 Figura 14- Sistema de controle representado por um Diagrama de blocos. ......................................20 Figura 15- Fluxograma do Controlador On/Off do motor da persiana. .............................................22 Figura 16- Fluxograma do Controlador de Lógica Booleana. ...........................................................23 Figura 17- Circuito do driver de potência..........................................................................................24 Figura 18- Driver de potência do motor DC - Ponte H. ....................................................................25 Figura 19- Circuito completo na simulação.......................................................................................26 Figura 20- Kit de desenvolvimento Ready for PIC............................................................................27 Figura 21- Simulação circuito persiana, estado inicial. .....................................................................28 Figura 22- Simulação circuito persiana, referência alterada..............................................................29 Figura 23- Simulação circuito persiana, acendimento da lâmpada....................................................30 Figura 24- Simulação circuito persiana, fechamento com lâmpada acesa.........................................31 Figura 25- Simulação circuito persiana, estado final.........................................................................32 Figura 26- Driver de potência do motor DC implementado..............................................................33 Figura 27- Kit de desenvolvimento Ready for PIC............................................................................34 Figura 28- Vista frontal do protótipo.................................................................................................35
  5. 5. ii Lista de Tabelas Tabela 1- Acionamento half-step para motor unipolar (fonte própria)..............................................13 Tabela 2- Acionamento half-step para motor bipolar (fonte própria)................................................13 Tabela 3- Acionamento full-step motor unipolar (fonte própria). .....................................................14 Tabela 4- Acionamento full-step motor bipolar (fonte própria). .......................................................14 Tabela 5- Tabela verdade de resposta do acionamento do motor da janela (fonte própria). .............32
  6. 6. iii SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ...............................................................................................................................5 2. OBJETIVOS ....................................................................................................................................6 2.1. Objetivo Geral...............................................................................................................................6 2.2. Objetivos Específicos....................................................................................................................6 3. REVISÃO DA LITERATURA .......................................................................................................7 3.1. Automação ....................................................................................................................................7 3.1.1 Controle dinâmico.......................................................................................................................7 3.1.2. Controle lógico...........................................................................................................................7 3.2. Domótica.......................................................................................................................................8 3.3. Microcontroladores .......................................................................................................................8 3.3.1. Família PIC ................................................................................................................................8 3.4. Linguagem de programação C ......................................................................................................8 3.5. Motor de passo..............................................................................................................................9 3.5.1 Tipos de motor de passo..............................................................................................................9 3.5.2. Classificação ............................................................................................................................11 3.5.3. Tipos de passo..........................................................................................................................12 3.5.4. LDR..........................................................................................................................................14 3.5.4.1. Divisor de tensão...................................................................................................................15 3.5 Motor DC.....................................................................................................................................17 3.6 Transistor .....................................................................................................................................17 3.6.1 Conexão Darlington..................................................................................................................17 3.8 Sensor Magnético.........................................................................................................................18 4. MATERIAIS E MÉTODOS..........................................................................................................18 4.1. Transdutor de Luminosidade ......................................................................................................19 4.2. Leitura das entradas do microcontrolador...................................................................................19 4.3. Lógica de Controle de Luminosidade.........................................................................................20 4.3. Comando dos Motores ................................................................................................................20 4.3.1. Interface de potência ................................................................................................................23 4.3.2. Motor da persiana.....................................................................................................................25 4.3.3. Motor da janela ........................................................................................................................25 4.3 Simulação.....................................................................................................................................25 4.4 Protótipo.......................................................................................................................................26 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO...................................................................................................27
  7. 7. iv 5.1. Simulação....................................................................................................................................27 5.1.1. Persiana....................................................................................................................................27 5.1.2. Janela........................................................................................................................................32 5.2 Protótipo.......................................................................................................................................33 6. CONCLUSÕES .............................................................................................................................39 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...........................................................................................40
  8. 8. 5 1. INTRODUÇÃO Uma persiana tem como um de seus objetivos o controle da iluminação natural do ambiente interno. Desta forma, o usuário pode controlar a abertura ou fechamento desta manualmente de acordo com a intensidade de luz desejada e a da luz solar. Devido a mudança na intensidade da luz natural durante o dia, o ajuste da persiana deve ser realizado várias vezes ao dia, com a finalidade de se manter o nível de luminosidade considerado confortável pelos ocupantes do imóvel. Portanto muitas vezes a luz natural não é utilizada, sendo que o mais usual é a utilização da persiana totalmente fechada ou aberta, juntamente com a iluminação artificial, o que acarreta um maior consumo de energia elétrica. Outro inconveniente encontrado em ambientes residenciais e comerciais é a incidência de chuva em janelas abertas, que pode causar danos a objetos e ao próprio interior do cômodo. Assim, é conveniente o fechamento das janelas nestas situações. Estes dispêndios são potencializados no caso de instalações com grande número de janelas tais como edifícios comerciais e hotéis, onde é impraticável o controle de luminosidade de forma manual. Além disto, o acesso nem sempre é possível, como é o caso da rede hoteleira, evidenciando assim os benefícios que um sistema automatizado proporcionaria. Tendo em vista os problemas apresentados, este projeto visa ao desenvolvimento de um sistema que os minimize na forma de uma janela automatizada, a qual permitiria o fechamento automático em caso de chuva, bem como o controle dinâmico de luminosidade por meio de uma persiana, que seria usada para compensar a variação da luz solar durante o dia.
  9. 9. 6 2. OBJETIVOS 2.1. Objetivo Geral Proporcionar uma solução de automação que promova conforto a ambientes comerciais e residenciais, por meio de um controle de luminosidade ambiente. 2.2. Objetivos Específicos 1. Controlar a luminosidade de um ambiente com auxílio de uma lâmpada LED; 2. Realizar o fechamento de uma janela em caso de chuva; 3. Implantar um sistema de acionamento de abertura e fechamento de janela por meio remoto.
  10. 10. 7 3. REVISÃO DA LITERATURA 3.1. Automação Na década de 1960, a palavra automation foi utilizada pela indústria de equipamentos para enfatizar a participação dos computadores no processo de controle automático industrial. Atualmente, entende-se por automação qualquer sistema apoiado em computadores, que substitua o trabalho humano, objetivando com isso, a segurança, qualidade de produto, rapidez de produção ou redução de custos (MORAES, 2007). No âmbito da automação destacam-se duas vertentes denominadas de controle dinâmico e controle lógico, cada uma com suas peculiaridades e aplicações. 3.1.1 Controle dinâmico Este tipo de controle tem como objetivo adequar o comportamento estático e dinâmico de sistemas físicos às necessidades do desenvolvedor. Utilizam-se variáveis de entrada e saída do sistema, além de uma realimentação em torno do sistema original (MORAES, 2007). Realimentação é o processo que parte da energia proveniente da saída do sistema é reintroduzida em sua entrada. Existem dois tipos mais comuns de realimentação, que são a realimentação positiva e a negativa. O tipo positivo ocorre quando o sinal reintroduzido na entrada tem caráter aditivo com a entrada, enquanto o negativo se opõe a entrada (KAL, 2009). A realimentação negativa é a forma de realimentação útil para controle, pois esta consiste na inserção do erro da saída na entrada de forma negativa. Quando o valor de saída ideal é fixo, o controle é dito regulador e quando é um sinal qualquer fornecido ao sistema tem-se a denominação de servocontrole (MORAES, 2007). 3.1.2. Controle lógico Controle de eventos ou controle lógico tem como objetivo complementar sistemas lógicos para que estes respondam a eventos externos ou internos de acordo com o desejado do ponto de vista utilitário. Este controle utiliza circuitos em que as variáveis são binárias e estes são chamados de redes lógicas (MORAES, 2007). Podem-se distinguir dois tipos de redes lógicas: combinatórias ou sequenciais. As redes combinatórias não possuem memória ou temporizações, baseando-se totalmente na álgebra booleana. Já as redes sequenciais são dotadas de memória, temporizações e entradas em instantes aleatórios (MORAES, 2007).
  11. 11. 8 3.2. Domótica Resumidamente, domótica é a tecnologia para desenvolvimento e implementação da automação em instalações civis comuns, tais como casas e prédios. Os principais objetivos da domótica são a economia de energia, aumento de segurança e conforto (MATEOS et al, 2001). 3.3. Microcontroladores Após o surgimento do transistor e o avanço da eletrônica digital, no final dos anos 60, os grandes fabricantes de semicondutores começaram a idealizar dispositivos integrados programáveis. Então, em 1969, a Intel lançou o primeiro microprocessador do mercado, o I4004 de 4 bits, 40 instruções e clock de 740 Khz (PEREIRA, 2004). Devido à necessidade de diversos CIs (Circuitos Integrados) periféricos para a aplicação dos microprocessadores, surgiram na década de 80 os primeiros microcontroladores. Estes dispõem de memória RAM e ROM internas, oscilador interno, I/O interno, entre outros elementos. Eles podem ser considerados como computadores em um único chip. Devido a essa característica dos microcontroladores, estes tornaram-os projetos mais simples, pois raramente necessitam de CIs externos para funcionar, possibilitando a diminuição de tamanho dos sistemas e como consequência, redução custos (PEREIRA, 2004). 3.3.1. Família PIC Originalmente derivada do PIC1650 e desenvolvido em 1975 pela General Instruments, a família de microcontroladores PIC é fabricada pela Microchip Technology (VERLE, 2009). Utilizam uma arquitetura RISC e possuem diversas configurações, desde básicos MCUs de 8-bits a potentes MCUs de 32-bits. 3.4. Linguagem de programação C A Linguagem de programação C tem um propósito geral baseado na economia de expressão, controle de fluxo e estruturas de dados, e uma vasta gama de operadores. Esta linguagem não é considerada de alto nível, e não possui aplicação específica. Portanto, desta forma, ela é geralmente mais conveniente e eficiente do que linguagens supostamente mais poderosas (KERNIGHAN & RITCHIE, 1988). As instruções básicas de controle de fluxo na Linguagem C são: agrupamento de declarações, tomada de decisão (if-else), seleção de determinado caso (switch), laços (while, for, do), e saída prematura de laço (break) (KERNIGHAN & RITCHIE, 1988).
  12. 12. 9 Uma função pode retornar valores dos tipos básicos, uniões, estruturas e ponteiros, e pode ser chamada recursivamente. Funções podem ser chamadas de diferentes códigos fonte e variáveis podem ser internas à uma função, sendo visíveis por apenas uma parte do programa, ou externas e visíveis pelo programa inteiro (KERNIGHAN & RITCHIE, 1988). Segundo Pereira, a escolha da Linguagem C para programação de microcontroladores é uma escolha natural. Esta linguagem permite a construção de programas muito mais complexos do que seria viável, utilizando-se a Linguagem Assembly e permitindo uma grande velocidade na criação de projetos e alta portabilidade entre dispositivos com um mínimo esforço (PEREIRA, 2003). 3.5. Motor de passo Consiste em um motor elétrico não escovado, síncrono que converte pulsos digitais e discretos em rotação mecânica. Cada revolução de seu eixo é dividida em um número discreto de passos e sua velocidade é determinada pela frequência dos pulsos digitais (Omega Engineering Inc., 2014). Este tipo de motor é especialmente adequado para integração com dispositivos eletrônicos digitais, devido à sua característica de converter informação de entrada em forma digital para uma saída mecânica (DEL TORO, 1999). 3.5.1 Tipos de motor de passo Podem ser divididos em três tipos quanto a sua bobina e enrolamentos: Imã permanente, relutância variável e híbrido. 3.5.1.1. Imã permanente Esta variedade de motor possui rotor permanentemente magnetizado e enrolamentos no estator. Ele possui torque residual quando não alimentado devido a seu imã permanente que gera um campo magnético contínuo (Microchip Technology Inc., 2004). É possível observar sua estrutura interna na Figura 1:
  13. 13. 10 Figura 1- Vista em corte do motor com imã permanente. Fonte: (KENJO & SUGAWARA, 1995). 3.5.1.2. Relutância variável Semelhantes ao de imã permanente, estes motores que possuem de 3 a 5 enrolamentos conectados a um terminal em comum e um rotor dotado de dentes, como pode-se observar na Figura 2. Quando energizados, os enrolamentos geram campo magnético que causa o alinhamento entre dente e enrolamento de forma a minimizar o fluxo magnético passante pelo rotor (Microchip Technology Inc., 2004). Utilizando-se a correta sequência de energização dos enrolamentos, gera-se movimento de rotação e torque, aproximando-se da continuidade, dependendo da frequência (Microchip Technology Inc., 2004). Figura 2- Motor de relutância variável em corte. Fonte: (KENJO & SUGAWARA, 1995).
  14. 14. 11 3.5.1.3. Híbrido Os motores híbridos combinam as características dos motores de imã permanente e os de relutância variável, como pode ser observado na Figura 3. São dotados de rotor dentado assim como nos de relutância variável. Porém possuem um imã concêntrico e axialmente magnetizado no mesmo (Microchip Technology Inc., 2004). Os dentes do rotor definem um caminho que ajuda no direcionamento do fluxo magnético gerado pelo imã. Desta forma, os motores híbridos possuem aumento no torque dinâmico se comparado com os motores de imã permanente e relutância variável (Microchip Technology Inc., 2004). Figura 3- Motor híbrido em corte. Fonte: (KENJO & SUGAWARA, 1995). 3.5.2. Classificação Os motores de passo são classificados quanto ao número de bobinas. Podem ser unipolares, onde possuem dois enrolamentos por fase com apenas um sentido de corrente em cada enrolamento, ou bipolares, que possuem apenas um enrolamento por fase e a corrente pode circular em ambos os sentidos (FITZGERALD,2003 apud ARRUDA & NEVES,2012). 3.5.2.1. Unipolar O circuito interno do tipo unipolar pode ter 5 ou 6 terminais, dependendo se estão ou não interligados os fios 2 e 5, que são ilustrados na Figura 4. O funcionamento do motor de passo unipolar depende de que os terminais 2 e 5 estejam ligados a fonte de energia, para que permita a passagem de corrente elétrica. Assim, os outros terminais podem ser aterrados sequencialmente para produzir o movimento do rotor (FITZGERALD,2003 apud ARRUDA & NEVES,2012).
  15. 15. 12 Figura 4- Circuito interno motor unipolar. Fonte: (ARRUDA & NEVES, 2012) 3.5.2.2. Bipolar Um motor de passo bipolar possui apenas 4 terminais. Pode-se observar o seu circuito interno na Figura 5. Figura 5- Circuito interno motor bipolar. Fonte: (ARRUDA & NEVES, 2012). Diferente do circuito dos motores unipolares, este não é acionado pelo aterramento e sim pela energização dos fios, ou seja, não são ligados sempre no mesmo pólo de energia. No entanto, a ideia do seu funcionamento é a mesma, onde precisa-se intercalar a energização entre os fios, na sequência informada pelo fabricante para que o rotor rotacione (FITZGERALD,2003 apud ARRUDA & NEVES,2012). 3.5.3. Tipos de passo As sequências a serem utilizadas podem proporcionar dois tipos de movimento no motor de passo, sendo elas: half-step (meio passo) e full-step (passo completo). 3.5.3.1. Half-step Nesta configuração, o motor é configurado para realizar o dobro de passos para completar uma revolução, ou seja, o rotor se desloca apenas em meios-passos. Pode-se observar a
  16. 16. 13 sequência de acionamento do motor unipolar na Tabela 1 e do motor bipolar na Tabela 2, seguindo a configuração dos circuitos internos apresentados acima. Tabela 1- Acionamento half-step para motor unipolar (fonte própria). Passo Terminal 1 Terminal 4 Terminal 3 Terminal 6 0-1 - - 1 - 1-2 - - 2 - 2-3 - - 3 - 3-4 - - 4 - Tabela 2- Acionamento half-step para motor bipolar (fonte própria). Passo Terminal 1 Terminal 2 Terminal 3 Terminal 4 0-1 + - + - 1 + - 1-2 + - - + 2 - + 2-3 - + - + 3 - + 3-4 - + + - 4 + - 3.5.3.2. Full-step Diferente do modo half-step, este acionamento utiliza o passo completo, o qual pode atingir maiores rotações por minuto. A sequência de acionamento dos dois tipos de motores estão nas tabelas (3 e 4) a seguir:
  17. 17. 14 Tabela 3- Acionamento full-step motor unipolar (fonte própria). Passo Terminal 1 Terminal 4 Terminal 3 Terminal 6 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - Tabela 4- Acionamento full-step motor bipolar (fonte própria). Passo Terminal 1 Terminal 2 Terminal 3 Terminal 4 1 + - 2 - + 3 - + 4 + - 5 + - 6 - + 7 - + 8 + - 3.5.4. LDR O LDR (Light Dependent Resistor, ou no português, Resistor Dependente de Luz) é o exemplo mais comum de sensores resistivos ópticos, o qual é ilustrado na Figura 6. Possui a característica de variar a sua resistência quando há variação da incidência de luz sobre ele. A mais conhecida aplicação deste sensor está na iluminação pública. Assim, pode-se acionar e desligar as lâmpadas automaticamente quando faltar ou não luz natural (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006).
  18. 18. 15 Figura 6- LDR Fonte: (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006). Os LDRs são compostos de um material semicondutor, sulfeto de cádmio, que pode ser encontrado num traçado onduloso na superfície do componente. Este material, por sua vez, tem a propriedade de diminuir sua resistência à passagem de corrente elétrica quando a luminosidade sobre ele aumenta. Com um ohmímetro, é possível verificar a sua resposta a variação de luz (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006). Na Figura 7 é apresentado um exemplo da variação da resistência de um LDR pela variação de luz: Figura 7- Gráfico da resposta do LDR. Fonte: (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006). 3.5.4.1. Divisor de tensão Para realizar a medida da luminosidade ambiente é preciso integrar o LDR a um circuito, para que a variação da resistência seja convertida numa variação de tensão. A variação pode ser monitorada através de uma entrada analógica, como a de um microcontrolador.
  19. 19. 16 Figura 8- Divisor de tensão. Fonte: (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006). Um divisor de tensão (Figura 8) é composto por dois resistores ligados em série, assim, a tensão entre esses dois resistores depende diretamente das suas resistências e da tensão da fonte de alimentação, que pode ser calculada de acordo com a equação 1 (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006): 𝑉𝑟 = 𝑉𝑡. 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 (1) Por ser um sensor resistivo, basta substituir uma das duas resistências R1 ou R2 pelo LDR, conforme ilustrado na Figura 9. Na medida que a quantidade de luz aumenta, o valor da saída Vr aumenta. É recomendado que R1 tenha uma resistência cujo o valor esteja entre o mínimo e o máximo do valor do LDR (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006).
  20. 20. 17 Figura 9- Divisor de tensão com LDR. Fonte: (Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica, 2006) 3.5 Motor DC O motor de corrente contínua é uma máquina versátil, que é capaz de efetuar inversões rápidas e controle de velocidade relativamente fácil, se comparado com outras máquinas eletromecânicas (DEL TORO, 1999). Para um motor de corrente contínua desenvolver torque, é necessária uma distribuição de densidade de fluxo magnético ao longo do entreferro da máquina. Para muitas aplicações de baixa potência, esta distribuição é feita através de imãs permanentes na estrutura do estator, que têm a vantagem de redução do custo de fabricação e construção mais simples do que enrolamentos de campo nas saliências do estator (DEL TORO, 1999). 3.6 Transistor O transistor representa uma ampla classe de dispositivos semicondutores que têm seu princípio de funcionamento baseado na junção P-N. A junção bipolar, como são chamados os transistores que possuem duas junções P-N, são divididos nos tipos PNP e NPN (DIEFENDERFER & HOLTON, 1994). 3.6.1 Conexão Darlington Para aumentar o ganho de corrente, pode ser feita uma ligação entre dois transistores da mesma polaridade (NPN ou PNP). Um dos modos particulares deste tipo de ligação é conhecido como conexão Darlington. Para diferenciar esta conexão, os terminais internos não podem estar sendo polarizados por resistores externos e os transistores devem ser do tipo NPN. A junção equivale a um
  21. 21. 18 único transistor onde os parâmetros são alterados em relação aos parâmetros de cada resistor (MARKUS, 2000). A principal característica da conexão Darlington é o alto ganho de corrente e alta impedância de entrada com baixa impedância de saída. O ganho de corrente do circuito corresponde ao produto dos ganhos individuais (DIEFENDERFER & HOLTON, 1994). Na Figura 10 é mostrada uma junção Darlington: Figura 10- Circuito equivalente do transistor TIP 122 Epitaxial Darlington. Fonte: (Fairchild Semicondutor, 2001) 3.8 Sensor Magnético O sensor magnético do tipo Reed Swtich quando combinado com um imã permanente, constitui-se como um dos sensores de proximidade mais simples. O Reed Switch é caracterizado por um par de contatos hermeticamente isolados do ambiente que são ativados quando devidamente alinhados com um fluxo magnético (FRADEN, 1996), ou seja, pode substituir uma chave. 4. MATERIAIS E MÉTODOS O ambiente de desenvolvimento escolhido para a confecção do código foi o software MPLAB X IDE v2.05, utilizando linguagem de programação C e o compilador XC8 na versão gratuita. Este compilador oferece várias bibliotecas que facilitam o controle de elementos periféricos do microcontrolador, tais como conversor A/D e interface de comunicação serial. O software utilizado para simulação do circuito foi o Proteus v7, que conta com a plataforma ISIS, utilizada neste caso, para testar a interação do código programado com os sensores e motores.
  22. 22. 19 4.1. Transdutor de Luminosidade Para tradução da variação da resistência do LDR de acordo com a luminosidade incidente, foi utilizado um circuito composto por um resistor e um LDR. A tensão de 5 volts é aplicada sobre a combinação em série do resistor comum e LDR. O nível de tensão encontrado entre os dois componentes é convertido a um valor com resolução de 10 bits, pelo conversor analógico-digital do microcontrolador. As tensões podem ser calculadas através da equação 1, sendo que o resistor de 10kΩ foi utilizado para limitar a corrente na porta do microcontrolador, mesmo quando a resistência do LDR tende a 0 Ω. Segue o exemplo da ligação do circuito de simulação na Figura 11. Figura 11- Circuito do LDR. Fonte: Própria 4.2. Leitura das entradas do microcontrolador O microcontrolador é programado para leitura periódica de todos os níveis de tensão, tanto dos transdutores de luminosidade quanto do potenciômetro de referência, o qual é ilustrado na Figura 12. Figura 12- Circuito da referência do usuário. Fonte: Própria Ainda conectados ao microcontrolador estão o botão que comanda a abertura ou o fechamento da janela, o sensor de chuva, e os fins de curso “aberto” ou “fechado”. Os sinais gerados por estas entradas possuem apenas dois níveis lógicos, compreendidos por “ligado” e “desligado”. O
  23. 23. 20 botão de acionamento manual e o sensor de chuva apenas desempenham sua função quando há alteração em seu nível lógico de “desligado” para “ligado”. Na Figura 13 é ilustrada a representação dos sensores digitais, onde E1, E2, E3 e E4 são as entradas digitais do microcontrolador. Figura 13- Circuitos dos sensores. Fonte: Própria 4.3. Lógica de Controle de Luminosidade O controle de luminosidade é feito através de uma lógica em malha fechada com realimentação negativa, onde a realimentação corresponde a luminosidade medida pelo conjunto de transdutores. O diagrama de blocos do sistema é mostrado na Figura 14: z Figura 14- Sistema de controle representado por um Diagrama de blocos. Fonte: Própria
  24. 24. 21 A entrada do sistema corresponde à referência escolhida pelo usuário através de um potenciômetro para ajustar o nível de luz desejado. A entrada é comparada com o sinal da realimentação, posteriormente o erro é inserido nos controladores. O controlador do motor é considerado On/Off por possuir frequência constante, uma vez que a velocidade do motor de passo é determinada pela frequência. Este controlador foi utilizado devido a influência do ângulo da persiana na variação da luminosidade interna ser indireta, dada a natureza da variação da luz solar, que pode ter diferentes ângulos de incidência e diferentes intensidades, além das inúmeras perturbações que podem ocorrer no sistema. Como os controladores são não lineares, não é possível fazer a análise por função de transferência. Deste modo não foram levantadas as funções de transferência do motor de passo, da persiana e do LED. As decisões tomadas pelo controlador são baseadas no erro, que é o resultado da diferença entre a luz de referência e a luz medida no ambiente. Quando o erro é negativo significa que a quantidade de luz é menor que a referência fornecida. Da mesma quando o erro é positivo, há mais luz do que o desejado. O ângulo de abertura da persiana, que varia de 0° a 90°, é alterado conforme a necessidade do sistema. O funcionamento do controlador do motor da persiana é mostrado na Figura 15.
  25. 25. 22 Figura 15- Fluxograma do Controlador On/Off do motor da persiana. Fonte: Própria Quando apenas a variação da persiana não é suficiente, o controlador de lógica Booleana ativa o LED para tentar compensar a falta de luz ambiente. O fluxograma mostra o funcionamento do controlador através da Figura 16.
  26. 26. 23 Figura 16- Fluxograma do Controlador de Lógica Booleana. Fonte: Própria Como pode ser observado no fluxograma, a combinação que ativa o LED é a persiana completamente aberta e o erro negativo. Da mesma forma o evento que desliga o LED é a persiana completamente fechada e o erro positivo. 4.3. Comando dos Motores 4.3.1. Interface de potência Cada motor possui sua interface de potência. O motor da persiana é alimentado com uma fonte de tensão em seus terminais centrais e o CI ULN2003 é conectado aos outros terminais provendo o nível de tensão 0 em determinado pino, de acordo com o comando do microcontrolador. Este CI provê a corrente necessária para acionamento do motor de passo de baixa potência. Na Figura 17 é possível observar a ligação dos transistores (ULN2003) no motor de passo da persiana, onde S1, S2, S3 e S4 são saídas do microcontrolador.
  27. 27. 24 Figura 17- Circuito do driver de potência. Fonte: Própria Já o motor da janela, é acionado através de um ponte H constituída por transistores de conexão Darlington. Este driver de potência tem como finalidade, proteger as saídas do microcontrolador e disponibilizar uma potência capaz de acionar o motor em ambos os sentidos de rotação. O chaveamento dos transistores de potência (TIP122 e TIP125) é feito por duas portas lógicas do microcontrolador que são conectadas por transistores do tipo BC 548 à ponte. Neste circuito, os transistores BC548 tem o propósito de fornecer uma saturação forte aos transistores de potência enquanto protegem as portas lógicas, requerendo um baixo nível de corrente. O circuito equivalente é ilustrado na Figura 18.
  28. 28. 25 Figura 18- Driver de potência do motor DC - Ponte H. Fonte: Própria 4.3.2. Motor da persiana Para o motor de ajuste da persiana, é utilizada a configuração de half-step, pois esta permite uma resolução de ângulos duas vezes maior. A posição deste motor deve ser armazenada e para tal fim, é utilizado via software, um contador e um marcador de passo, para que o microcontrolador sempre tenha a informação de qual foi a última combinação de bobinas energizadas e assim, tome a correta decisão. 4.3.3. Motor da janela O segundo motor, que comanda a abertura ou o fechamento da janela, é acionado quando o botão de acionamento é pressionado ou o sensor de chuva é ativado. Os fins de curso têm a função de parar este motor em caso de fim de curso e determinar a direção do movimento no caso do fechamento da chave. Eles estão representados no ISIS como chaves. 4.3 Simulação Para efeito de simulação das condições de trabalho do sistema, foi montado na plataforma ISIS do software Proteus 7, o esquema com o microcontrolador PIC 18F45K22, 2 LDRs, potenciômetro, 3 LEDs, botão e chaves, 1 CI ULN2003 e 1 motor de passo, além de um terminal virtual para visualizar variáveis internas do microcontrolador, conforme é mostrado na Figura 19.
  29. 29. 26 Figura 19- Circuito completo na simulação. Fonte: Própria 4.4 Protótipo Para verificação das funcionalidades propostas na simulação, foi construído um ambiente fechado semelhante a um cômodo, dotado de uma abertura representando uma janela. No interior do protótipo, foi instalado uma persiana sob medida adaptada com um motor de passo. No exterior, um mecanismo de abertura e fechamento por correia dentada para a movimentação da janela. O gerenciamento do sistema é realizado pelo kit Ready for PIC, fabricado pela MikroEletronica. Este kit dispõe de um microcontrolador PIC 18f45k22 com uma interface completa de comunicação com PC. Na Figura 20 é mostrado o kit utilizado neste projeto.
  30. 30. 27 Figura 20- Kit de desenvolvimento Ready for PIC. Fonte: MikroElektronika 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1. Simulação Apesar da dificuldade para representação da influência do movimento do motor de passo nos transdutores de luminosidade, os resultados da simulação foram coerentes como programado no microcontrolador. No entanto, foi necessária uma diminuição da frequência de amostragem dos sinais, pois a frequência antiga estava sobrecarregando o hardware, no PC, e com isso, acarretando erros no comportamento do sistema. 5.1.1. Persiana Para testar a funcionalidade do sistema da persiana, foi utilizada a seguinte situação hipotética: Estabeleceu-se uma intensidade luminosa sob os sensores maior do que a referência e um ângulo inicial de 0° para o motor, correspondendo à persiana totalmente fechada, de acordo com o demonstrado na Figura 21.
  31. 31. 28 Figura 21- Simulação circuito persiana, estado inicial. Fonte: Própria A partir deste ponto, alterou-se a incidência de luminosidade nos LDRs, tornando o valor médio do conversor A/D maior do que a referência. Portanto há menos luz do que o desejado e o motor gira no sentido anti-horário, abrindo a persiana, conforme a Figura 22.
  32. 32. 29 Figura 22- Simulação circuito persiana, referência alterada. Fonte: Própria Em seguida, o valor médio obtido pelo conversor A/D continuava maior do que a referência e a persiana já se encontrava totalmente aberta, com um ângulo de -90°. Portanto, a lâmpada D1 é acesa, conforme é observado na Figura 23.
  33. 33. 30 Figura 23- Simulação circuito persiana, acendimento da lâmpada. Fonte: Própria A quantidade de luz aumenta e a persiana começa a fechar, porém com a lâmpada acesa, conforme ilustrado pela Figura 24.
  34. 34. 31 Figura 24- Simulação circuito persiana, fechamento com lâmpada acesa. Fonte: Própria A persiana fecha completamente, retornando ao ângulo 0°, e a quantidade de luz ainda é maior do que a referência, assim a lâmpada é desligada, conforme visto na Figura 25.
  35. 35. 32 Figura 25- Simulação circuito persiana, estado final. Fonte: Própria 5.1.2. Janela O sistema de abertura e fechamento da janela é composto por uma chave (sensor de chuva), um motor e por 1 botão e 2 chaves que representam: o acionamento e os dois fins de curso. Seu funcionamento ocorre de acordo com o esquema representado na Tabela 5, levando-se em consideração que tanto o sensor de chuva quanto o botão de acionamento só provocam mudança na saída do sistema, quando sofrem mudança de nível 1 para 0. Tabela 5- Tabela verdade de resposta do acionamento do motor da janela (fonte própria). ENTRADAS SAÍDAS Fim de curso Sensor de chuva Botão Abre/Fecha Motor Fechado Aberto Fecha Abre 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 X X 0 0 0 0 1 0
  36. 36. 33 ENTRADAS SAÍDAS Fim de curso Sensor de chuva Botão Abre/Fecha Motor Fechado Aberto Fecha Abre 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 X X 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 X X 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 X X 5.2 Protótipo Na construção do protótipo, alguns componentes foram confeccionados por falta de disponibilidade local dos mesmos, como a interface de potência dos motores e o circuito para a iluminação interna. Para a confecção do driver ponte H demonstrado anteriormente, foram usados os seguintes componentes: 2 transistores TIP122, 2 TIP125, 2 BC548, 4 diodos 1N4007 e resistores. A ponte H pode ser observada na Figura 26. Figura 26- Driver de potência do motor DC implementado. Fonte: Própria Com a finalidade de representar uma lâmpada no cômodo foram utilizados 2 LEDs de 0,3 Watt, que são chaveados pelo microcontrolador através de um transistor BC548.
  37. 37. 34 A Figura 27 representa o kit Ready for PIC com suas conexões. Figura 27- Kit de desenvolvimento Ready for PIC. Fonte: Própria O ambiente simulado tem o formato de uma caixa, onde foram utilizadas placas de compensado do tipo MDF (Medium Density Fiberboard). Para facilitar a instalação do sistema de controle, foram colocadas dobradiças na face superior da caixa. A ideia do sensor de chuva é detectar apenas chuvas que incidiriam diretamente sobre a janela. Para obter sinais confiáveis da incidência da chuva, o sensor deve ser instalado em um local apropriado. Desta forma evita-se que a janela feche automaticamente com qualquer respingo de água. Este sensor foi posicionado na região externa, abaixo da janela e paralelo a parede. Na Figura 28, é mostrada a vista frontal do protótipo.
  38. 38. 35 Figura 28- Vista frontal do protótipo. Fonte: Própria Após a construção do protótipo, iniciou-se os ensaios para verificar o funcionamento da automação proposta. O sistema de acionamento da janela funcionou sem maiores problemas. No entanto, o motor utilizado para sua movimentação possuía uma velocidade nominal elevada para esta aplicação. A alimentação do sistema foi feita por uma fonte ATX proveniente de um desktop, sendo escolhida por possuir os níveis de tensão +12V e +5V, que são os níveis de tensão utilizados no protótipo. Como chave geral foi implementado um botão on/off. O controle de luminosidade apresentou dificuldades quando implementada a proposta inicial. A primeira adversidade corrigida foi a constante movimentação do motor devido à flutuações de tensão nos LDRs. A correção foi feita através da inserção de uma tolerância quanto à leitura de luminosidade. O segundo problema detectado foi a diferença de range de resistências entre os sensores de luminosidade e o potenciômetro utilizado. Este problema foi corrigido com a adição de um offset nos valores de tensão encontrados nos transdutores de luminosidade, via software.
  39. 39. 36 A última dificuldade encontrada no conjunto de ajuste de luminosidade foi decorrente do degrau inserido na medição através do acendimento da luz, que gerava uma faixa de luminosidade inatingível. Esta faixa é ampliada quando a luminosidade externa é reduzida. Para solução do problema foi realizada uma adaptação na lógica de controle. O novo sistema de controle pode ser representado pelo diagrama de blocos da Figura 29. Figura 29-Novo sistema de controle representado por um Diagrama de Blocos. Fonte: Própria Neste novo sistema, o controlador de lógica Booleana seleciona o controlador do motor da persiana ou o controlador do LED. Os parâmetros utilizados para esta seleção são o erro, o ângulo da persiana e a tensão do LED. Seu funcionamento é representado pelo fluxograma da Figura 30.
  40. 40. 37 Figura 30- Fluxograma do novo Controlador de Lógica Booleana. Fonte: Própria A nova lógica de controle do nível de luz conta com o ajuste no brilho da lâmpada através do emprego de PWM (Pulse Width Modulation). Assim como o sistema anterior, é tomada a decisão de abrir ou fechar a persiana de acordo com a comparação do nível de luz desejado e o nível de luz presente. Porém, quando a abertura total da persiana não é suficiente, é realizado um aumento no ciclo de trabalho do sinal do enviado à lâmpada. A partir deste momento a variação do ciclo de trabalho depende da mesma comparação feita para abrir ou fechar a persiana. O controle incremental do LED é mostrado na Figura 31, através de um fluxograma.
  41. 41. 38 Figura 31- Fluxograma do Controlador Incremental do LED. Fonte: Própria O motor implementado na persiana, possui uma precisão inferior ao motor de passo simulado (5,7° a mais por passo), porém apresentou resultados satisfatórios para o protótipo. Após feitas as correções citadas, o controle de luminosidade atendeu aos requisitos propostos neste trabalho. Em trabalhos futuros, é recomendado a utilização de um motor de passo com uma resolução maior, assim como um motor DC mais lento, para que aumente a precisão na abertura e no fechamento da janela.
  42. 42. 39 6. CONCLUSÕES Após a simulação, notou-se que os resultados obtidos estão conforme esperados. Para viabilizar a simulação, os sensores foram representados por botões. Todas as funções incrementadas no software, funcionaram na simulação como proposto. No entanto, a dificuldade encontrada foi representar a influência que a variação angular do motor da persiana teria sobre os conjuntos de sensores de luminosidade. Com o término da confecção do protótipo, os resultados obtidos apresentaram-se melhor do que os resultados da simulação, devido as alterações realizadas na lógica de controle.
  43. 43. 40 7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ADAMOWSKI, J. C. (2004). Sensores: Tecnologias e aplicações - 1.ed. Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos - USP, pp. 3-32. ARRUDA, M. A., & NEVES, M. G. (Junho de 2012). Projeto de um Tribômetro Baseado em Extensômetros e Testes com Biolubrificantes. Publicação de Monografia. Campo Grande, MS, Brasil: UCDB - Universidade Católica Dom Bosco. CUNHA, B. Q. (2012). Persiana Automatizada Utilizando SEnsor de Luz para Aproveitamento da Luz Solar. Publicação de Monografia. Brasília, DF, Brasil: UNICEUB - Centro Universitário de Brasília. DEL TORO, V. (1999). Fundamentos de Máquinas Elétricas. Rio de Janeiro: LTC. DIEFENDERFER, A. J., & HOLTON, B. E. (1994). Principles of Eletronic Instrumentation - 3 ed. Fullerton: Saunders College Publishing. FRADEN, J. (1996). Handbook of modern sensors: physics, designs, and applications - 2nd ed. San Diego: Springer-Verlag New York, Inc. Instituto Newton C. Braga. (23 de Maio de 2014). Como funcionam os materiais piroelétricos e piezoelétricos (ART632). Fonte: Site do Instituto Newton C. Braga: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/4571-art632 KENJO, T., & SUGAWARA, A. (1995). Stepping Motors and Their Microprocessor Controls 2nd Edition. Oxford: Oxford Science Publications. KERNIGHAN, B. W., & RITCHIE, D. (1988). The C Programming Language - 2.ed. New Jersey: Prentice Hall PTR, Upper Saddler River. MARKUS, O. (2000). Ensino Modular: Sistemas Analógicos - Circuitos com Diodos e Transistores. São Paulo: Érica. MATEOS, F., GONZÁLEZ, V. M., POO, R., GARCIA, M., & OLAIZ, R. (10-13 de Outubro de 2001). Design and Development of an Automatic Small-Scale House for Teaching Domotics. p. Session T3C. MATOS, B. M. (2009). Janela Residencial Automatizada. Publicação de Monografia. Brasilia, DF, Brasil: UNICEUB - Centro Universitário de Brasília. Maxwell Bohr Instrumentação Eletrônica. (18 de 12 de 2006). Tutorial - Aplicações, Funcionamento e Utilização de Sensores. PdP - Pesquisa e Desenvolvimento de Produtos. Londrina, PR, Brasil. Microchip Technology Inc. (2004). AN907. Stepping Motors Fundamentals. Estados Unidos da Amérida: University of Iowa. MORAES, C. C. (2007). Engenharia de Automação Industrial - 2.ed. Rio de Janeiro: LTC. NATALE, F. (1996). Técnica de Acionamento: conversores CA/CC e Motor CC. São Paulo: Érica. Omega Engineering Inc. (30 de Maio de 2014). Indroduction to Stepper Motors. Fonte: Omega Engineering: http://www.omega.com/prodinfo/stepper_motors.html PEREIRA, F. (2003). Microcontroladores PIC: Programação em C - 2.ed. São Paulo: Editora Érica. PEREIRA, F. (2004). Microcontroladores PIC: Técnicas Avançadas - 3.ed. São Paulo: Editora Érica.
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