Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
ETEC Jorge Street
TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM
MECATRÔNICA
ARR – AUTO- REGULADOR DE ROTAÇÃO
BRUNO GOMES DA SILVA
FELIPE ALBERTO DE FRANÇA LEITE
GABRIEL RODRIGUES DA SILVA
HENRIQUE ROMERA SALVADOR
TIAGO TAKESHI GOTO OKIMURA
Professor Orientador:
VINICIUS VONO PERUZZI
São Caetano do Sul / SP
2014
ARR – AUTO-REGULADOR DE ROTAÇÃO
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como pré-requisito para
obtenção do Diploma de Técnico em
Mecatrônica.
São Caetano do Sul / SP
2014
DEDICATÓRIA
Dedicamos este trabalho aos nossos familiares e amigos, por estarem
conosco sempre com paciência, e aos nossos professores Salomão, Filliputti e
Vinicius por terem nos ajudado com as dificuldades observadas a partir da execução
deste projeto. Obrigado por não terem nos abandonado, este projeto não seria
possível sem vocês.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos primeiramente aos nossos familiares por estarem sempre
presentes e nos apoiando e incentivando em todos os momentos. Agradecemos
também a todos os nossos professores que se empenharam em nos transmitir os
conhecimentos necessários para a realização deste trabalho, e aos nossos amigos
por estarem sempre ao nosso lado e nos ajudando quando necessário. Este projeto
não representa apenas uma conclusão de curso, e sim o amadurecimento pessoal e
profissional de cada um de nós, demonstrando o que somos e mostrando-nos que
podemos sempre mais.
“Nunca ande pelo caminho traçado, pois ele
conduz somente até onde os outros já foram.”
Alexander Graham Bell
RESUMO
O projeto consiste em um sistema de controle de malha fechada que tem por
finalidade analisar a temperatura e alterar a quantidade de tensão que será entregue
ao ventilador que deverá ser conectado a esse sistema pela tomada. O sistema é
alimentado com 127 V alternados, encontrados nas residências, e um circuito de
transformação e retificação alimentará o controlador e este atuará nos sistemas de
controle. Um relé ligará o ventilador enquanto um Dimmer de potência fará a
alteração da tensão. O sistema pode ser ativado e controlado através do celular, de
acordo com a vontade do usuário
Palavras-Chave: Transformador; Bluetooth; Temperatura; Rotação.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 –
Diagrama de Blocos.................................................................
13
Figura 2 –
Exemplo de escalonamento e linearidade da potência............
15
Figura 3 –
Esquema do chaveamento de rotação do motor...................... 15
Figura 4 –
Transformador 1 A 12+12......................................................... 16
Figura 5 –
Esquema
elétrico
de
uma
ponte
de
diodos
com 18
transformador...........................................................................
Figura 6 –
Diferença entre entrada e saída...............................................
19
Figura 7 –
Símbolo de alguns tipos de capacitores.................................
20
Figura 8 –
Invólucro TO220 do 7800.........................................................
21
Figura 9 –
BlackBoard da RoboCore.........................................................
23
Figura 10 –
Pinagem do Microcontrolador Arduíno....................................
24
Figura 11 –
Circuito Dimmer........................................................................
26
Figura 12 –
Análise
de
falhas
do
FMEA
com
base
no
gráfico 34
disponibilizado pela Siqueira Campos....................................
Figura 13 –
Correção das falhas do FMEA com base no gráfico 34
disponibilizado pela Siqueira Campos.....................................
Figura 14 –
Diagrama de Blocos.................................................................
36
Figura 15 –
Esquema Elétrico para o Circuito de Alimentação...................
37
Figura 16 –
Circuito do Módulo Relê...........................................................
39
Figura 17 –
Circuito Dimmer........................................................................
40
Figura 18 –
Disparo em diferentes ângulos da rede...................................
41
Figura 19 –
Diagrama de Blocos com Sistema Elétrico Integrado..............
44
Figura 20 –
Fluxograma de Programação...................................................
49
Figura 21 –
Vista superior da caixa de proteção.........................................
61
Figura 22 –
Vista lateral da caixa de proteção............................................. 61
Figura 23 –
Vista isométrica da caixa com o circuito interno....................... 62
Figura 24 –
Vista superior da caixa com o circuito interno..........................
62
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 –
Tabela de pinagem do Microcontrolador Atmega328..............
25
Tabela 2 –
Cronograma Inicial do Projeto.................................................
33
Tabela 3 –
Legenda do Circuito de Alimentação.......................................
37
Tabela 4 –
Legenda do Circuito do Módulo Relê......................................
40
Tabela 5 –
Circuitos e suas ligações no Arduíno......................................
43
Tabela 6 –
1ª parte do Orçamento de Eletrônica......................................
45
Tabela 7 –
2ª parte do Orçamento de Eletrônica......................................
46
Tabela 8 –
Legenda do Fluxograma de Programação..............................
49
Tabela 9 –
Dimensões da caixa de proteção............................................
51
Tabela 10 –
Orçamento dos Materiais Mecânicos......................................
52
Tabela 11 – Custos de componentes eletrônicos comprados no bazar......
54
Tabela 12 –
Custos de componentes eletrônicos comprados em diversos
54
locais........................................................................................
Tabela 13 –
Componentes adquiridos pós-planejamento...........................
58
LISTA DE SIGLAS
ARR – Auto-Regulador de Rotação
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
FMEA – Failure Mode and Effect Analysis (Análise de Efeitos e Modo de Falha)
CI – Circuitos Integrados
Sumário
INTRODUÇÃO..................................................................................................................... 12
CAPÍTULO 1 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................... 14
1.1.
Ventilador ....................................................................................................... 14
1.2.
Circuito de Alimentação .................................................................................. 16
1.2.1.
Transformador ............................................................................................................. 17
1.2.2.
Diodo ........................................................................................................................... 18
1.2.3.
Capacitores ................................................................................................................. 20
1.2.4.
Reguladores de tensão ............................................................................................... 21
1.3.
Circuito de Controle ........................................................................................ 22
1.3.1.
Atmega328 .................................................................................................................. 22
1.3.2.
Relê ............................................................................................................................. 26
1.4.
Circuito de Entrada ......................................................................................... 28
1.4.1.
Módulo Bluetooth ........................................................................................................ 28
1.4.2.
Sensor Térmico - LM35 ............................................................................................... 29
1.5.
Caixa de Proteção .......................................................................................... 30
1.5.1.
Poliestireno Cristal ...................................................................................................... 31
1.5.2.
Cola ............................................................................................................................. 31
CAPÍTULO 2 – PLANEJAMENTO DO PROJETO ............................................................... 32
2.1. Eletroeletrônica .................................................................................................. 35

Circuito de Alimentação ....................................................................................................... 36

Circuito de Entrada .............................................................................................................. 37

Circuito de Controle ............................................................................................................. 38

Esquema Elétrico Completo ................................................................................................ 42
2.1.1. Previsão de Custos............................................................................................................. 43
2.1.
Programação .................................................................................................. 45
2.2.
Mecânica ........................................................................................................ 49
2.2.1.
Previsão de Custos ..................................................................................................... 49
CAPÍTULO 3 – DESENVOLVIMENTO DO PROJETO......................................................... 51
3.1.
Eletroeletrônica ............................................................................................... 51
3.1.1.
3.2.
Definição das Tarefas ................................................................................................. 51
Mecânica ........................................................................................................ 56
RESULTADOS OBTIDOS.................................................................................................... 57
CONCLUSÃO ...................................................................................................................... 60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 61
ANEXOS.............................................................................................................................. 63
INTRODUÇÃO
Graças ao surgimento do ventilador no final do século XIX, houve grandes
desenvolvimentos no campo elétrico e aeronáutico das engenharias, pois estes
partiam dos mesmos princípios presentes nesses dispositivos. Os ventiladores
passaram por muitas modificações, começando por motores bipolares de corrente
contínua, além de componentes expostos, até a adição de proteção através de
gaiolas, motores de corrente alternada e principalmente a alteração para
componentes plásticos ao invés de lâminas metálicas.
Atualmente, existe o Ar Condicionado, criado com o intuito de substituir o
ventilador no setor industrial, mas é também utilizado em residências, comércios e
instituições de ensino devido à sua característica de resfriar todo o ambiente de
acordo com uma temperatura pré-estabelecida. Com o surgimento desses aparelhos
os ventiladores começaram a ser substituídos por sua falta de praticidade, já que
toda vez que se desejasse alterar sua temperatura deveria-se ir até o local, muitas
vezes de difícil acesso como em indústrias e escolher entre as comuns três opções
de variação de temperatura, podendo ou não satisfazer a vontade do cliente.
O projeto a ser abordado neste Trabalho de Conclusão de Curso visa
aumentar a praticidade e eficiência dos ventiladores, pois se trataria de uma forma
de diminuir essa carência de variações de temperatura. Para isso, foi projetado um
módulo de controle para a rotação de um ventilador, que funcionaria de acordo com
a temperatura do ambiente e podendo ser controlada a distância pelo usuário
através de seu Smartphone.
O Ar Condicionado, mesmo que difundido em todo o planeta ainda apresenta
altos preços, e este projeto viabilizaria a utilização de ventiladores ao invés de tais
aparelhos, já que este módulo permitiria a utilização de qualquer modelo de
ventilador para ter sua potência controlada, fazendo assim com que o projeto se
torne uma espécie de adaptador universal para ventiladores.
O ARR, sigla para Auto-Regulador de Rotação, designação dada ao projeto
pelo grupo de execução, teria como objetivos a aplicação dos conhecimentos
absorvidos durante o curso de Mecatrônica, além de identificar as ferramentas
necessárias para o planejamento e execução de projetos e estudar sistemas de
12
controles muito utilizados atualmente. Podemos também especificar os objetivos a
serem almejados com a construção do projeto:

Tornar um dispositivo de controle em um módulo universal;

Difundir o uso de Smartphones em sistemas de controle;

Aplicar conceitos de Automação Mecatrônica ao implantar um sistema de
malha fechada;

Abordar os conceitos de controle de potência através da variação de tensão
recebida da rede elétrica;

Utilizar conceitos de usinagem e mecânica aos processos plásticos.
Para se alcançar tais metas serão necessários planejamentos envolvendo
pesquisas sobre os componentes e viabilidades do processo, além de projetar os
circuitos eletroeletrônicos, a usinagem da caixa de proteção e o fluxograma de
programação.
A execução será baseada em tais apontamentos, confeccionando a caixa a
partir de um material plástico, escrevendo as linhas de programação em linguagem
própria da plataforma de microcontroladores a ser utilizada e solda dos
componentes e suas ligações eletroeletrônicas. Abaixo segue um diagrama de
blocos introduzindo a estrutura do circuito completo:
Figura 1: Diagrama de
Blocos
Fonte: Autores (2014)
13
Capítulo 1 – Fundamentação Teórica
Como o projeto consiste no aprimoramento do sistema de variação de rotação
de qualquer ventilador que for conectado ao módulo, este capítulo abordará os
conceitos de funcionamento dos ventiladores. Além disso, seguirá a especificação
de cada aparelho, dispositivo e componente estabelecido através de pesquisas e
que serão utilizados no projeto para atingir os objetivos impostos ao módulo de
controle.
1.1. Ventilador
Um ventilador é um dispositivo mecânico utilizado para converter energia
elétrica em energia mecânica de rotação em seu eixo, aplicando essa força ao
ambiente, resfriando o ar. O ventilador nada mais é do que um modelo de moinho
invertido, que ao invés de transformar a energia do vento em mecânica, faz o
contrário. Este equipamento foi inventado nos EUA em 1882, pelo americano
Schuyler S. Wheeler.
Existem ventiladores de diversos tipos, como os compressores rotativos, que
comprimem o ar a altas pressões, os ionizadores e os de torre convencionais, mas
são basicamente dois tipos, os axiais e os centrífugos. É comum se encontrar
diversos modelos tendo como característica a rotação de sua base, mas alguns têm
uma varredura maior. Existem também ventiladores com rotações muito altas que
são utilizados em túneis de experiências aerodinâmicas, onde são testados modelos
de aviões.
Um ventilador funciona a partir de um rotor que move o ar através de um eixo.
O rotor do ventilador fica normalmente abrigado dentro de um recipiente cilíndrico,
onde ficam aplicadas as pás do rotor, que se movem ao seu redor. Os ventiladores
comuns movimentam o ar no sentido horizontal, mas existem alguns que circulam o
vento para cima e para baixo. O ventilador contém um rotor que move o ar através
de um eixo.
Este aparelho pode ser utilizado tanto no ambiente residencial quanto no
industrial. Na maioria dos casos são utilizados para diminuir o calor do ambiente e
aumentar a circulação do ar. Sua função de conduzir o ar de um ponto a outro se
14
torna indispensável para locais muito quentes ou com pouca circulação natural de
ar.
São também amplamente usados em ambientes de trabalho, setores com
temperatura muito alta, elétricos, ou até em locais específicos como uma de suas
variações, os coolers de computador, exaustores de restaurantes, nos radiadores,
entre muitas outras aplicações.
Um dos maiores problemas de ventiladores domésticos e comerciais é que o
controle da rotação é feita de maneira escalonada, aos saltos, nem sempre
convencional, pois de uma maneira bem clara, não existe meio termo entre o muito
forte e o fraco. Esta deficiência leva à idéia de se ter um controle contínuo e
automático, ajustando a rotação à temperatura ambiente de maneira linear.
Figura 2: Exemplo de escalonamento e linearidade da potência
Fonte: Site: www.mecatronicaatual.com.br
Os ventiladores comuns têm um controle de velocidade de acordo com o
princípio de comutação entre os três enrolamentos no motor, quando uma chave
seleciona a velocidade de acordo com a tomada ligada ao motor, variando de
maneira escalonada a rotação.
15
Figura 3: Esquema do chaveamento de rotação do motor.
Fonte: Site: www.mecatronicaatual.com.br
É por esse motivo que será projetado um sistema de controle que fará as
alterações utilizando sempre o 3° enrolamento do motor, variando assim a entre a
menor velocidade do motor, de acordo com a menor tensão e a maior rotação de
acordo com a maior tensão elétrica.
1.2. Circuito de Alimentação
O projeto será alimentado pela rede elétrica convencional fornecida no estado
de São Paulo, pela fornecedora Eletropaulo que disponibiliza no sistema monofásico
127 V alternados e no sistema bifásico 220 V alternados. O circuito de alimentação
foi projetado para o sistema monofásico, pois a maioria dos ventiladores é
alimentada por 127 V.
Este circuito tem como objetivo criar uma fonte 5 V utilizando, um cabo
qualquer
com
conexão
para
tomada
elétrica,
transformador
220
e
110
Vac/12+12VCA, diodos retificadores 1N4007, Capacitor 1000uF 40V, regulador de
Tensão 7805.
Com o transformador receberemos o sinal da rede elétrica e transformaremos
em 12 Vac. Com isso, iremos retificar o sinal utilizando uma ponte de diodos e com o
conjunto de 1 resistor e 1 capacitor obter um sinal praticamente retificado, isto é, na
eletrônica um sinal de ondas totalmente positivas ou totalmente negativas. O
regulador de tensão funciona como um transformador para tensão contínua, ele
receberá 12 V na entrada e irá por 5 V na saída.
16
Será visto a seguir a fundamentação teórica de cada componente e no
Segundo capítulo será abordado o circuito completo com seu funcionamento,
especificações e sua montagem.
1.2.1. Transformador
Em diversas instalações elétricas e até mesmo em nossas casas, se tem a
necessidade de aumentar ou diminuir a voltagem que é fornecida pelas companhias
de eletricidade. Para resolver este problema foi criado o transformador.
O transformador é constituído de uma peça de ferro denominada de núcleo, e
ao seu redor são enroladas duas bobinas. Em uma dessas bobinas é aplicada a
voltagem que queremos transformar, a esta bobina denominamos enrolamento
primário do transformador.Após a transformação, a voltagem, será estabelecida nas
extremidades
da
outra
bobina,
chamada
de
enrolamento
secundário
do
transformador.
O transformador funciona de acordo com os princípios da indução
eletromagnética, onde uma tensão aplicada nos pólos do enrolamento primário cria
um campo magnético imantando o núcleo e formando linhas de indução que quando
passam através da bobina do secundário criam outro campo magnético na bobina,
gerando a tensão de saída.
Quando essa tensão de entrada aplicada no primário é constante, o fluxo
magnético no secundário também será constante, não havendo então indução e
assim não haverá voltagem induzida. Quando a voltagem aplicada no primário é
alternada, o fluxo magnético se torna variável e atravessa as espiras do secundário,
fazendo com que uma voltagem induzida apareça nos extremos dessa bobina.
O transformador utilizado poderia ser utilizado tanto numa rede elétrica de
127 V quanto 220 V alternados, como mostra a figura a seguir, mas será utilizado
apenas em 127 V alternados. A saída tem dois fios de 12 V e um de 0
V, onde utilizaremos os dois fios de 12 V para alimentar o circuito, pois quanto maior
a tensão (desde que seja suportável) para o regulador de tensão, mais estável será
a saída. Segue em anexo no final deste trabalho a folha de especificações do
transformador utilizado (Anexo A).
17
Figura 4: Transformador 1A 12 +12 V
Fonte: Transformadores Esteves
Embora o transformador reduza a voltagem de 127 V para 12 V, a tensão
continua sendo alternada, mantendo picos entre positivo e negativo. O próximo
passo é fazer a oscilação do sinal se tornar positiva, mesmo que mantenha picos.
Para isso será necessária uma ponte de diodos, explicada a seguir.
1.2.2. Diodo
O diodo semicondutor é um componente eletrônico composto por cristais
semicondutores, normalmente silício ou germânio, sendo o tipo mais comum de
semicondutor, usado muitas vezes como retificador de corrente elétrica.
O funcionamento de um diodo consiste na permissão de passagem da
corrente elétrica em um único sentido, a polarização direta, que é quando um diodo,
conectado a uma bateria e uma lâmpada, é ligado com seu Anodo ao positivo e o
Catodo ao negativo. Existe passagem de corrente e por isso a lâmpada acenderá.
Quando um diodo é conectado em uma lâmpada com a polaridade inversa, não
existe passagem de corrente e a lâmpada permanece apagada.
O diodo funciona como uma chave, mas diferente de uma chave mecânica, o
diodo possui uma queda de tensão, isto é, parte da tensão que passa por ele ficará
nele. O diodo feito a partir do silício tem uma queda de tensão de 0,7 V, isto é, 0,7V
de uma tensão qualquer ficará nele.
18
O diodo possui várias funções, mas no circuito de alimentação deste projeto,
funcionará com um retificador, transformando corrente alternada em corrente
contínua pulsante, isto é, mesmo que chegue tensão positiva ou negativa em seu
Catodo, este não permitirá a passagem, diferente do que seria se chegasse a seu
Anodo. Para essa função será utilizada uma ponte de diodos retificadora.
Ponte de diodos
Uma ponte retificadora de onda completa é um dispositivo que converte
corrente alternada, AC, em corrente contínua, DC. A corrente alternada sai das
tomadas convencionais das casas e alterna sua polaridade entre positiva e negativa
em momentos regulares. Nas residências costuma-se utilizar uma frequência, isto é,
intervalos de alternância, de 60 ciclos por segundos (60 Hz, lê-se Hertz).
A corrente contínua é a mais utilizada por dispositivos eletrônicos e, assim,
uma fonte de energia de um dispositivo eletrônico deve utilizar um retificador para
converter a energia da tomada em corrente, para que possa ligar o aparelho.
Para se utilizar uma ponte de diodos é necessário utilizar um arranjo especial
de diodos para que estes transformem os semi-ciclos negativos em semi-ciclos
positivos, fazendo com que só haja ciclos positivos, aproximando o máximo de uma
corrente contínua sem o uso de outros componentes que serão vistos a seguir.
No arranjo citado, os diodos formam dois pares. Em um par, as extremidades
dos cátodos dos diodos ficam de frente uma com a outra, e no outro par, as duas
extremidades do ânodo dos diodos também ficam de frente uma com a outra.
Figura 5: Esquema elétrico de uma Ponte de Diodos com transformador
Fonte: Autores (2014)
19
Quando ligado, o retificador converterá a corrente proveniente da tomada em
corrente utilizável pelo dispositivo conectado à ponte de diodos.
Figura 6: Diferença entre entrada e saída
Fonte: Autores (2014)
Mas a corrente mesmo retificada ainda possui picos que diferenciam entre si,
para isso utiliza-se um componente suavizador, para que não haja tanta
discrepância entre os picos e estabilizar a corrente entre o pico máximo e mínimo.
Em nosso circuito será utilizado um capacitor, explicado a seguir.
1.2.3. Capacitores
É um componente elétrico com a funcionalidade de armazenar energia
elétrica, constituído por dois eletrodos conectados placas de armazenamento de
cargas opostas. Essa carga é armazenada na superfície das placas, mas como tem
cargas elétricas de dimensões iguais, mas sinais opostos, a carga total será zero.
Sua unidade de medida é o F (Farad), razão entre a carga elétrica em uma de
suas placas e a tensão aplicada a elas. A unidade Farad é muito grande, pois
dificilmente poderíamos obter um capacitor que recebendo a carga de 1 Coulomb,
medida da carga elétrica, em suas placas, e adquirisse o potencial de 1 Volt apenas.
A unidade mais usada na prática, isto é, na medida de capacitância é o microfarad, 1
μF.
F=C/V
Capacitância(F) = Carga Elétrica(C) / Tensão (V)
20
Quanto maior à capacitância, maior será a carga acumulada nestas placas,
por esse motivo o capacitor é um “armazenador” de cargas elétricas e quanto maior
sua capacitância, maior será a carga que ele é capaz de armazenar.
Os capacitores são classificados pelo seu material de dielétrico, seu material
isolante que possui alta capacidade resistiva à corrente elétrica. Os mais comuns
são os de cerâmica, que suporta até 1μF, os de poliéster, de 1nF à 10μF, e o
eletrolítico, utilizado para alta potência, de 1μF até 1000μF.
Figura 7: Símbolo de alguns tipos de
Capacitores
Fonte: Site: Kemper (www.kemper.com)
Serão utilizados no processo os
eletrolíticos,
tanto
no
circuito
de
alimentação, quanto no sistema de
dimerização presente no circuito de controle. Ele armazenará cargas excedentes
nesse circuito e definirá o ângulo de disparo do sistema de dimerização.
1.2.4. Reguladores de tensão
Para um circuito de alimentação de média e baixa potência é indispensável o
regulador de tensão na forma de um CI de três terminais encapsulado em um
invólucro TO-220. A série 7800 é a mais comum entre esses reguladores de tensão,
que fornecem desde 5 V à 24 V. Nessa série os dois últimos números do
componente indicam a tensão fornecida.
Para um bom funcionamento dessa série, a tensão de entrada deve ser no
mínimo 2 V mais alta que a tensão nominal de saída. A tensão máxima de entrada
21
para os CIs1 de 5 a 18 V é de 35 V, já para o de 24 V é 40 V. Esses circuitos
possuem medidas de segurança contra curtos-circuitos e não necessitam de
componentes externos além de um dissipador
de calor.
Figura 8: Invólucro TO220 do 7800
Fonte: Site: Instituto Newton C. Braga
No circuito será utilizado o CI regulador
de tensão 7805, que transformará aproximadamente 24 V em 5 V, ele terá seu
primeiro pino ligado ao capacitor e a ponte de diodos, o segundo ligado ao conector
molex que levará até o microcontrolador e o terceiro ligado ao terra.
1.3. Circuito de Controle
O circuito de controle será constituído pelo microcontrolador que definirá a
rotação de acordo com a temperatura, o rele que ativará a passagem de corrente
para o circuito de dimerização automática que será atuado por meio de um motor
DC acionado por pequenos pulsos de milissegundos, definindo assim a velocidade
de rotação do motor do ventilador.
1.3.1. Atmega328
A
empresa
ATMEL
é
famosa
por
seus
microcontroladores
e
microprocessadores, criando CIs para diversas partes do mundo, seus CIs
normalmente recebem as duas primeiras letras do nome da empresa “AT” e a
palavra Mega.
1
CI – Circuito Integrado: Componente eletrônico constituído de vários outros componentes menores
para realizar uma função, normalmente digital, mas podendo ser utilizado para finalidades analógicas,
como o Regulador de Tensão.
22
Para o projeto será utilizado uma variação de uma das principais placas da
empresa Arduíno, especializada na comercialização de microcontroladores. O
Arduíno é uma plataforma “open-source2" de desenvolvimento, criada com o objetivo
de oferecer uma comunicação fácil entre usuário e hardware3.
Ele tem diversas funções, podendo receber informações de sensores,
controlar luzes, motores, pode ser utilizado em experimentos de circuitos digitais,
entre diversas aplicações. Este microcontrolador é programado usando a linguagem
de programação e o ambiente de desenvolvimento Arduíno, uma linguagem muito
parecida com C4 e muito amigável, tornando possível até mesmo quem não é do
ramo da programação poder usar sem maiores problemas. Por ser um software
livre5, o Arduíno pode ser executado em qualquer sistema operacional, o que lhe
torna ainda mais útil, pois não é preciso mudar de sistema operacional para usá-lo.
Outro fator muito útil do Arduíno são suas saídas, pois alguns componentes
precisam de 3.3 V e outros de 5 V, e ele consegue variar entre estas tensões. Este
modelo de Arduíno vem com um cabo USB para trocar informações com o
computador.
2
Open-Source – Programação aberta;
3
Hardware – Parte física de um circuito eletrônico.
Linguagem de Programação C – A linguagem C é uma linguagem de programação popular e
amplamente utilizada para criar programas de computador
5
Software Livre – Critérios utilizados para definir a disponibilidade de download de um programa de
computador.
4
23
Figura 9: Blackboard da RoboCore
Fonte: Site: www.robocore.com
Aplicações do Arduíno
Essa plataforma será o cérebro por trás deste projeto, será em sua interface
que o grupo irá implementar o programa que atuará no sistema de controle de
rotação, da leitura dos dados de temperatura e da recepção dos sinais do módulo
Bluetooth. O circuito de alimentação anteriormente abordado foi desenvolvido para
que este seja alimentado por uma tomada de 127 V.
O modelo usado neste projeto é o mais próximo possível do “Uno", carro
chefe da ATMEL atualmente, seu microcontrolador é o ATMega3286, ele possui
quatorze entradas/saídas digitais (sendo seis de PWM), seis entradas analógicas,
32Kb de Memória Flash, 2 Kb de memória RAM e 16 MHz de “Clock Speed", a
velocidade de processamento dos dados. Este modelo foi escolhido devido ao seu
custo acessível e por atender todas as necessidades do projeto.
Microcontrolador ATMega328 – Microcontrolador desenvolvido pela ATMEL, utilizado em várias
plataformas do Arduíno.
6
24
Figura 10: Pinagem do Microcontrolador Arduíno
Fonte: Site: Webtrônico (http://blog.webtronico.com/?p=107)
Para entender melhor o funcionamento desse microcontrolador, cada pino
terá suas respectivas funções descritas abaixo.
Pinos
Descrição
Pinos
Descrição
1
Reset – Reinicia o programa
gravado previamente;
I/O digitais controladas e
programadas por Software;
2
RX – Receptor de informações de
unidades Remotas;
TX – Transmissor de informações para
unidades Remotas;
5,11,12,15,16
e 17
8 e 22
Pode ser usado como I/O digitais
quanto saídas de PWM;
GND – Entrada para o terra, ou
pólo negativo da placa, estático
em 0 V;
7
20
AVCC – Entrada para alimentação
alternativa. Pode-se alterar essa
tensão de funcionamento para
outros componentes;
4,6,13,14,18 e
19
3
9 e 10
23 à
28
VCC – Entrada para a alimentação da
Placa;
Cristal – Pinos usados para conectar o
microcontrolador ao cristal,
responsável por determinar a
velocidade de processamento do
controlador;
Entrada e Saída de Componentes
Analógicos;
Tabela 1: Tabela de pinagem do Microcontrolador Atmega328
Fonte: Autores (2014)
25
1.3.2. Relê
O relê é um componente eletromecânico, isto é, apresenta características
elétricas e mecânicas, que permite a ativação de cargas elétricas a partir de um sinal
de comando, podendo ser digital ou analógico. Sua estrutura é formada por um
enrolamento que segue os princípios do transformador, abordado anteriormente, e
chaves ativadas eletromagneticamente, podendo ser normalmente abertas ou
fechadas (NA e NF, respectivamente) de acordo com o relê escolhido.
Tal forma de nomear se deve ao estado de repouso dos contatos em relação
à bobina. Um relê de contatos NA significa que enquanto o relê está desligado, seus
contatos estão abertos, ou seja, não passa corrente ou tensão elétrica, o inverso
acontece com os relês de contatos NF. Enquanto o relê estiver desligado, suas
chaves estarão fechadas, permitindo que a carga seja alimentada pela fonte.
Quando o relê é acionado, as características de repouso de suas chaves
comutam, a chave que estava aberta, fecha, permitindo assim a alimentação da
carga, e que estava fechada, abre. Esse estado não se sofrerá alterações enquanto
o enrolamento do relê estiver acionado, mas quando ele for desligado, suas chaves
retornam ao estado original.
Este dispositivo será utilizado para ativar o Ventilador através do
microcontrolador, se este receber dados de temperatura acima de 27 °C no
ambiente ou se receber um comando de um celular conectado ao aparelho. Será
projetada uma placa para ativar o relê a partir de um sinal do microcontrolador.
Circuito de dimerização automática
Esse circuito é baseado nos famosos Dimmers, tão utilizados, eficientes e
ainda assim, simples e barato. Os Dimmers são utilizados para o controle eficiente
de cargas de forma linear, mas manualmente. A diferença entre esse circuito e um
Dimmer está na forma com que se atuará no potenciômetro que normalmente faz a
alteração na tensão que é entregue à carga. O circuito será praticamente o mesmo,
apenas o potenciômetro é que sofrerá alteração, sendo interno e atuado por um
motor de baixa rotação com caixa moto-redutor. O motor que atuará no
potenciômetro será controlado por um sinal do Arduíno, ativando-o a partir de um
pino digital do microcontrolador.
26
Figura 11: Circuito
Dimmer
Fonte: Site: Instituto
Newton C. Braga
1.3.2.1. DIAC
Um DIAC, Diodo para Corrente Alternada, é um disparador bidirecional, ou
um diodo que só conduz corrente após uma tensão de disparo ser atingida, e para
de conduzir após a corrente cair abaixo dessa tensão. E por ser bidirecional,
funciona desse mesmo modo nos dois sentidos. Essa tensão de disparo
normalmente é em cerca de 30 V. O DIAC é comum para disparar TRIACs e SCRs,
Retificadores Controlados de Silício.
Pode ser equivalente em um circuito de 9 V, por exemplo, ligando dois diodos
Zener de 9 V em série de maneira oposta, cátodo com cátodo ou ânodo com ânodo.
1.3.2.2. TRIAC
O TRIAC, Triodo para Corrente Alternada, é um componente eletrônico
equivalente à dois SCRs, ligados em anti-paralelo (ânodo com cátodo) e com
terminal G(Gate – Disparo) ligados. Este tipo de ligação resulta em uma chave
eletrônica bidirecional assim como um DIAC, conduzindo corrente elétrica em dois
sentidos.
Para disparar o TRIAC pode-se aplicar uma corrente positiva no gate, e este
uma vez disparado, continua a conduzir até a corrente elétrica caia abaixo do valor
de corte do disparo, normalmente o valor do final de um ciclo de corrente alternada.
27
Pode-se controlar o início da condução do dispositivo aplicando um pulso
determinado do ciclo de corrente alternada, permitindo controlar a porcentagem do
ciclo que estará alimentando a carga. Característica essa que será utilizada no
projeto para alimentar o ventilador com a carga proporcional à temperatura.
1.4. Circuito de Entrada
Define-se por Circuito de Entrada aquele que terá como componentes os
dispositivos e circuitos integrados que são considerados variáveis de entrada nesse
sistema de controle, no caso o Módulo Bluetooth, que fará a interação HumanoMáquina e o Sensor Térmico que fará o controle automático da temperatura no
ambiente. Suas estruturas, finalidades e funcionamento serão melhores abordados a
seguir.
1.4.1. Módulo Bluetooth
O sistema Bluetooth é um padrão de comunicação sem fio de baixo consumo
de energia para a transmissão de dados entre qualquer dispositivo que tenha esse
sistema implantado, desde que a distância não seja grande. O sistema funciona por
meio de radiofrequência, detectando o outro dispositivo independentemente de sua
posição em relação ao detector, desde que dentro do limite de distância.
A tecnologia Bluetooth foi criada para funcionar em todo planeta, o que torna
necessária a adoção de uma frequência aberta de rádio e que possa ser utilizada
em qualquer lugar. Foi então utilizada a banda ISM (Industrial, Scientific, Medical) de
frequência 2,45 GHz, utilizada em vários países. Logo, para o sistema não criar
interferências nem sofrê-las, foi criado o esquema de comunicação FH-CDMA
(Frequency Hopping – Code-Division Multiple Access).
Ela faz com que a frequência seja divida em vários canais, e quando o
dispositivo que se conecta a outro muda de frequência rapidamente, utilizando o
principio do “salto de frequência” (frequency hopping). Para isso as frequências
devem ser pequenas, diminuindo as chances de interferência, sendo cada uma com
intervalos de 1 MHz.
28
Em uma rede Bluetooth, quando dois ou mais dispositivos se comunicam,
eles formam uma rede chamada de piconet, sendo que o dispositivo que iniciou a
conexão é chamado de “mestre” e os demais são “escravos”. O mestre tem a tarefa
de regular a transmissão de dados na rede e a sincronia com os outros dispositivos,
isso significa que o mestre envia dados e os escravos o recebem.
A velocidade de transmissão embora seja considerada baixa, funciona mais
do que perfeitamente para o projeto. A versão 2.0 tem como taxa de transmissão de
dados 3 Mb/s(megabit por segundo, 3x106 bits por segundo) e será a utilizada no
projeto, mas para isso é necessário o padrão EDR (Enhanced Data Rate), ou a
velocidade seria de 721 Kb/s.
O módulo a ser usado oferece suporte para o modo mestre e o modo escravo,
isto é, ele pode tanto enviar quanto receber dados. Em sua placa existe um
regulador de tensão que permite alimentação de 3.3 V a 5 V, bem como um LED
que indica se o módulo está pareado com outros dispositivos. Segue abaixo
algumas de suas características:

Possui alcance de 10m;

Protocolo Bluetooth 2.0 + EDR;

Frequência 2,4 GHz – Banda ISM;

Tensão de 3,3 V (2,7 – 4,2 V);

Temperatura de funcionamento: -40 até 105°C.
Antes de se comunicar com o módulo é necessário que se de o pareamento
com o dispositivo que se deseja conectar. Isto varia dependendo do sistema
operacional utilizado pelo Smartphone.
1.4.2. Sensor Térmico - LM35
Existem no mercado alguns medidores de temperatura cuja resistência varia
de acordo com a temperatura, os termistores. Eles são divididos em duas
categorias, o PTC (Coeficiente Termal Positivo) e o NTC (Coeficiente Termal
Negativo).
O PTC varia a sua resistência positivamente, ou seja, aumenta sua
29
resistência, de acordo com a temperatura, mas essa variação não ocorre
linearmente, mas sim com uma curva crescente a taxas crescentes.
E o NTC é o inverso, diminuindo sua resistência de acordo com a
temperatura, de maneira mais linear, mas ainda sim, não completamente, um de
seus principais problemas. Para resolver esses problemas, foram desenvolvidos
circuitos integrados que se baseiam na variação das características de amplificação
dos
transistores,
chaves
eletrônicas
semicondutoras,
com
a
variação
da
temperatura.
Um exemplo disso é o Sensor Térmico LM35 que possui como
características:

Alta Linearidade na faixa de resistência;

Sensibilidade de 10 mV/°C;

Faixa de Operação de -25°C/150°C;

Tensão de Alimentação de 4 a 30 V;

Encapsulamento TO92, como mostra a figura a seguir.
A pinagem deste CI é simples, sendo o 1° pino o do VCC, o 2° o do GND e o
3° o de saída das informações que são analógicas. Caberá ao microcontrolador ler
esta variável de entrada, associá-la a uma temperatura e executar as linhas de
comando para a variação da rotação. Este CI ficará do lado de fora do módulo de
controle, para não sofrer interferências de ruídos ou do aumento de temperatura
dentro da caixa de proteção devido a circulação de corrente. Para maiores suportes
com relação a este componente, seguem no final deste trabalho suas especificações
através do Datasheet (Anexo B).
1.5. Caixa de Proteção
Para evitar atritos e interferência do meio ambiente nos circuitos
projetados, uma caixa de material plástico, o poliestireno, será utilizada para
proteger o sistema. Ele possuirá três aberturas, uma para a saída do cabo de
30
alimentação, uma para o conector fêmea da tomada onde será ligado o ventilador e
a ultima das aberturas sendo para o sensor de temperatura, que medirá a
temperatura do ambiente e não do interior da caixa.
1.5.1. Poliestireno Cristal
O poliestireno (PS) é um polímero plástico utilizado em materiais de baixo
custo, como réguas escolares e tubos plásticos transparentes utilizados em canetas
esferográficas e é a partir do poliestireno que surge o Isopor (EPS). O poliestireno
cristal tem como características principais, um tom azulado, apesar do aspecto visual
transparente; Espessura de 2 mm; Baixa resistência se comparado ao acrílico.
Devido ao baixo custo comparado ao acrílico e o fácil manuseio para o corte,
foi feita a escolha por este material, já que o projeto não foi desenvolvido para
suportar atritos e impactos, e este se encaixa perfeitamente no perfil almejado pelo
grupo. Para sua montagem será necessária uma cola especial.
1.5.2. Cola
A caixa de proteção será uma união de placas previamente cortadas, para
isso é necessário uma cola resistente. O produto a ser utilizado pode ser utilizado
em madeira, vidro, metais, poliestireno expandido, PVC, couro, entre outros
materiais. Ele possui resistência à umidade, não possui solvente, é transparente e
tem forte poder adesivo.
Com os fundamentos teóricos dos principais componentes para a realização
deste projeto já apresentados, será necessário, antes da execução, um
planejamento para se organizar as tarefas, entender e utilizar algumas das
ferramentas indispensáveis na realização de qualquer projeto e se fazer pesquisas
para fixar um orçamento para a aquisição dos componentes. Todos estes itens
citados serão apresentados a seguir, junto com o planejamento da montagem do
projeto.
31
Capítulo 2 – Planejamento do Projeto
Toda e qualquer atividade humana feita sem qualquer tipo de planejamento, é
uma atividade aleatória que leva geralmente o indivíduo ou qualquer tipo de
organização, a destinos não esperados, altamente perigosos e quase sempre torna
as situações piores que aquelas anteriormente existentes. O planejamento provoca
mudanças em pessoas, em sistemas e em tecnologias.
“O planejamento não diz respeito a decisões
futuras, mas às implicações futuras de decisões
presentes.” (Peter Dracker).
Para se ter um projeto, ou produto, dependendo do setor, eficiente é
indispensável, tanto como modo de pensamento correlacionando as variáveis,
quanto uma organização entre os indivíduos. Uma organização é então uma
combinação de esforços individuais que tem por finalidade realizar objetivos
coletivos. Por meio de uma organização torna-se possível perseguir e alcançar
propósitos que seriam difíceis de se alcançar êxito sozinho.
Uma das principais ferramentas do planejamento é o cronograma que
possibilita a delimitação de datas para certas ações. Um dos principais tipos de
cronograma utilizado é o Cronograma de Gantt. O diagrama de Gantt é utilizado
para mostrar o avanço nas etapas de um projeto, com intervalos de tempo entre o
início e o fim de cada etapa no eixo horizontal. Ele mostra os intervalos planejados e
quais foram os intervalos utilizados para executar a etapa.
Neste tipo de gráfico desenvolvido pelo engenheiro mecânico Henry Gantt em
1917 pode ser visualizado as tarefas de cada membro da equipe podendo analisar o
tempo utilizado para a execução e assim analisar o desempenho de cada membro.
A seguir está o diagrama de Gantt projetado para o ARR, com as atividades a serem
realizadas, o tempo em semanas e seus responsáveis:
32
Tabela 2: Cronograma Inicial do Projeto
Fonte: Autores (2014)
Além da parte da organização e previsão de datas, uma parte do
planejamento consiste na aquisição de dados sobre os componentes do projeto,
como visto no capítulo anterior, mas como fora dito no início deste capítulo, o
planejamento serve para evitar destinos inesperados. Neste caso, o FMEA é uma
ferramenta de extrema importância.
O FMEA (do inglês: Failure mode and effect analysis) que em português
significa: Análise de Efeitos e Modos de Falha, e é uma ferramenta utilizada para
aumentar a confiabilidade de um produto durante a fase de projeto e processo. Ela
permite avaliar as possíveis falhas de acordo com as características dos
componentes do projeto.
Para se utilizá-la é necessário que o grupo de projeto ou processos se reúna
para discutir as prováveis falhas e pensar em soluções para diminuir a ocorrência, a
33
severidade ou aumentar a detecção. A seguir são apresentadas as duas partes do
FMEA do projeto, a de análise e a de correção:
Figura 12: Análise de falhas do FMEA com base no gráfico disponibilizado pela Siqueira Campos.
Fonte: Autores / Siqueira Campos (2014).
Figura 13: Correção das falhas do
FMEA com base no gráfico
disponibilizado pela Siqueira Campos.
Fonte: Autores / Siqueira Campos
(2014).
Esta é a parte onde se verifica as falhas, junto a seus coeficientes de
Severidade, Ocorrência e Detecção. É possível ver, que ao analisar esta tabela, se
vê a relação da falha com os efeitos e causas de cada uma delas, junto aos
processos atuais de prevenção e detecção. A última coluna representa o produto
34
dos três indicadores, quanto maior esse indicador, maior é a periculosidade em
relação ao projeto.
Esta é a segunda parte do FMEA, as quais tratam as ações sugeridas pelo
grupo, o responsável e o prazo para a finalização da atualização do projeto. A
coluna com o Resultado das Ações mostra a ação tomada junto aos novos índices e
o produto deles. Para uma análise mais detalhada, o FMEA completo deste projeto
se encontra no final deste trabalho (Anexo C).
Com base nos dados adquiridos a partir dessas duas ferramentas
importantíssimas e do capítulo anterior, seguirá uma explicação do funcionamento e
da montagem dos circuitos necessários para o projeto.
2.1. Eletroeletrônica
A parte eletroeletrônica consiste em basicamente todo o projeto, ele que fará
a obtenção dos dados de entrada e fará as ações previamente programadas. Essa
parte será dividida em quatro partes, sendo elas:

Circuito de Alimentação;

Circuito de Entrada;

Circuito de Controle;

Esquema elétrico completo.
35
Figura 14: Diagrama de Blocos
Fonte: Autores (2014)
Começaremos abordando o circuito previsto para a Alimentação dos demais
circuitos:
 Circuito de Alimentação
Como dito no primeiro capítulo, este circuito alimentará o sistema de controle
e os de entrada, distribuindo a partir de conectores molex a tensão de saída de 5 V
dada pelo Regulador de Tensão. Ele é quem alimentará o Arduíno através dos pinos
7(VCC) e 8(GND)
36
MOLEX-3
MOLEX-4
Figura 15: Esquema Elétrico para o Circuito de Alimentação.
Fonte: Autores / Eagle Layout Editor (2014).
Legenda
TR1
Transformador 1A 127/220 – 12 V + 12 V
D1 a D4
Diodos Semicondutores 1N4007
C1
Capacitor Eletrolítico de 1000 μF – 40 V
Regulador 7805T
Regulador de Tensão 7805 – saída de 5 V
Conector Molex 2 vias (pequeno, macho) - designado
para a saída
Conector Molex 2 vias (grande, macho) – designado
para a entrada de 127 V para o Transformador
Molex - 1/2
Molex - 3/4
Tabela 3: Legenda do Circuito de Alimentação
Fonte: Autores (2014)
Plano de Montagem do Circuito

Dimensionamento da placa de acordo com os componentes;

Solda dos componentes, do menor para o maior;

Fazer a ligação através de fios de cobre conforme mostrado no circuito;
 Circuito de Entrada
Esse circuito na verdade consiste apenas em ligar o Módulo Bluetooth e o
Sensor de Temperatura em placas diferentes somente para conectar ao
37
microcontrolador. O Módulo Bluetooth terá seus pinos RX e TX ligados aos pinos TX
e RX (2 e 3) do Arduíno, e será alimentado através do Arduíno também (pinos 7 e
8).
Plano de Montagem do Circuito

Dimensionar placas individuais de acordo com seu tamanho;

Soldar os componentes e os jumpers, conectores metálicos, para fazer
a ligação ao microcontrolador;

Fazer a ligação de cada pino do componente ao jumper que o
interligará ao controlador.
 Circuito de Controle
O circuito de controle consiste na solda de alguns componentes à placa do
Relê e do Circuito de Dimerização.
 Módulo Relê:
O módulo relê consiste em:
 1 Conector Molex 3 vias pequeno;
 2 Resistores de 1KΩ;
 1 Transistor NPN BC547B;
 1 LED;
 1 Diodo Semicondutor 1N4007;
 Relê NA – 5 V;
 Contatos Eletromagnéticos (1- Contato NF; 2- Entrada; 3- Contato NA).
Um relê como dito anteriormente é um enrolamento, que ao passar corrente
por suas espiras gera um campo eletromagnético comutando os estados de seus
38
contatos. Seu esquema elétrico mostra a ligação que cada componente deve ter
entre si:
Figura 16: Circuito do Módulo Relê
Fonte: Autores (2014)
CN1
R1 e R2
D1
Q1
D2
RL1
CN2
CN3
Legenda
Conector Molex pequeno 3 vias
Resistores de 1k Ω
LED sinalizador de funcionamento
Transistor NPN BC547B
Diodo Semicondutor 1N4007
Relê NA-NF – 5 V
Conector Molex Grande, 2 vias
(conectado à rede elétrica)
Conector Molex Grande, 2 vias
(conectado ao Dimmer)
Tabela 4: Legenda do Circuito do Módulo Relê
Fonte: Autores (2014)
39
O módulo relê será adquirido no bazar da Instituição e será alimentado pelo
circuito de alimentação que estará ligado ao Arduíno (pinos 7 e 8), o sinal para o seu
acionamento será dado pelo pino 17, uma porta I/O digital.
 Circuito de Dimerização
Figura 17: Circuito Dimmer
Fonte: Instituto Newton C. Braga
O circuito de dimerização a ser utilizado é muito comum em todas as áreas e
é um dos primeiros circuitos a se aprender no setor eletroeletrônico, esse circuito
continuará o mesmo, apenas um motor será acoplado ao potenciômetro.
Ele é constituído por uma resistência fixa de 10kΩ, chamada de R1 no
esquema elétrico mostrado, um potenciômetro de 100kΩ e um capacitor cerâmico de
220nF para constituir o sistema de variação linear de tensão na carga, que no
projeto consiste no motor do ventilador. O Diac para ativar o Triac que fará a
condução da tensão a partir do momento de sua ativação.
Esse circuito tem como base o controle do ângulo de disparo do Triac,
podendo disparar em diversos pontos de uma onda senoidal que é entregue a partir
da rede de energia, podendo assim variar a tensão que se chega na carga.
40
Figura 18: Disparo em diferentes ângulos da rede.
Fonte: Instituto Newton C. Braga
Sendo assim, se o Triac for disparado no começo de um semiciclo, a carga
receberá praticamente toda a onda, e se for disparado no fim, receberá apenas o
restante.
Para alterar o ponto de disparo é necessário uma rede RC(ResistorCapacitor), com R variável. A tensão passará pela resistência e depois fará com que
o capacitor se carregue, a partir do momento em que sua capacidade está completa,
ele não estará armazenando mais a corrente que passa por ali. Esta corrente que
não é mais armazenada é entregue ao Diac que tem por função disparar o Triac.
Quanto maior a resistência, maior o tempo que o capacitor demora para
completar sua carga, demorando mais para acionar o Triac, o que faz com que o
Triac dispare no final do semiciclo. Esse é o princípio fundamental de um Dimmer.
A resistência é composta por um valor fixo para que seja considerado um
valor mínimo de disparo, isto é, próximo do início de um semiciclo, e um valor
variável, o potenciômetro. O capacitor é quem dita qual o momento do disparo do
Diac, pois somente após sua carga completa é que o Diac é acionado.
O circuito será alimentado direto na rede e sua saída será para o plug fêmea
de uma tomada que se encontrará presa em um suporte na proteção de poliestireno.
O motor será alimentado por duas portas de I/O digital do arduíno através de um
41
circuito de Ponte H, composto por 4 resistores de 510Ω e 4 transistores BC557,
todos PNP. Com esse circuito o motor poderá rotacionar seu eixo tanto em uma
direção, quanto em outra, dependendo da necessidade.
 Esquema Elétrico Completo
Segue abaixo uma tabela onde são mostrados os pinos que cada circuito irá
ocupar no microcontrolador, além de um Diagrama de Blocos simbolizado pelos
principais componentes elétricos de seus respectivos circuitos. Ele engloba desde o
Circuito de Alimentação, até o Circuito de Controle, todos em suas respectivas
portas destinadas no microcontrolador.
Circuito/
Pinos no ATMega328
Componente
Módulo Bluetooth
Sensor de
Temperatura
Circuito
Alimentador
Dimmer
Motor com ponte H
Relê
RX → 2;
TX → 3;
VCC → 7;
GND →8.
VCC →7;
GND →8;
Saída → 28.
Saída →7;
GND →8.
Nenhum
Tabela 5: Circuitos e suas
ligações no Arduíno
Fonte: Autores (2014)
Sentido horário →15;
Sentido Anti-horário →16.
VCC →7;
GND →8;
Sinal →17.
42
Figura 19: Diagrama de Blocos com Sistema Elétrico Integrado
Fonte: Autores / Livewire (2014)
2.1.1. Previsão de Custos
Esta primeira parte do orçamento compreende as variáveis de entrada do
sistema, o controlador, o Módulo do Relê (Interface de Potência), o Conjunto de
Alimentação, inclusive o circuito de retificação. Os preços encontrados são com
base em sites de vendas de equipamentos e componentes eletrônicos e em lojas
pesquisadas.
43
Tabela 6: 1ª parte do Orçamento de Eletrônica
Fonte: Autores (2014)
A próxima parte do Orçamento que será apresentada a seguir junto ao Total
compreende o Circuito do Dimmer, o motor a ser utilizado para variar a rotação,
jumpers para ligações, e a placa onde serão feitos os circuitos..
44
Tabela 7: 2ª parte do Orçamento de Eletrônica
Fonte: Autores (2014)
2.1. Programação
O
controlador
deste
projeto
será
o
Arduíno,
uma
plataforma
de
microcontroladores com sua própria linguagem, muito parecida com a linguagem de
programação C++, mas com características próprias. Segundo o Diagrama de
Blocos (figura 15) apresentado no início deste capítulo, o Circuito de Alimentação
alimentará todas as placas, inclusive o Arduíno.
O Arduíno funcionará normalmente após a alimentação e a programação
gravada em sua memória estará apta a funcionar. Ele está programado para ler os
sinais de entrada do Módulo Bluetooth e do Sensor de Temperatura. Se o usuário
desejar alterar a rotação do ventilador através do celular, deverá fazer o download
do programa de utilização do módulo. Após isso, ele poderá acionar o modo
“Manual” através do celular e selecionar o intervalo de velocidade desejada.
45
Se o modo “Manual” estiver desativado o módulo controlará a tensão do
ventilador automaticamente através da temperatura do ambiente, isso se ela estiver
acima dos 25°C. Se a temperatura do ambiente estiver acima de 25 °C ele permitirá
a passagem de tensão elétrica ao motor do ventilador. Após isso o controlador fará a
leitura termal do ambiente, medirá 5 vezes a resistência ôhmica que o potenciômetro
presente no Dimmer apresenta, fará uma média e saberá qual o valor e a posição
em que o potenciômetro se encontra.
Então ativará o motor com caixa Moto-Redutora (Conjunto de engrenagens
que tem por finalidade reduzir a rotação por minuto, RPM, do motor), até que o
potenciômetro se encontre no lugar que corresponde à rotação proporcional para
manter o ambiente agradável, previamente escolhida como 25°C. Abaixo segue o
fluxograma de funcionamento do programa.
46
47
Figura 20: Fluxograma de Programação
Fonte: Autores (2014)
FORMA
LÓGICA A SER USADA
Bloco de Comando – Executar uma
tarefa
Conexão com outra parte da
programação
Lógica “if” – Se verdadeiro o que está
escrito, ele executa o que estiver à
direita.
Tabela 8: Legenda do Fluxograma de Programação
Fonte: Autores (2014)
48
A linguagem própria do Arduíno permite a utilização dos componentes sem a
necessidade de uma biblioteca de programação especial, apenas a “SoftwareSerial”,
já presente no software de programação, que permite que os pinos de recepção e
transmissão do Módulo Bluetooth sejam conectados em qualquer porta I/O digital..
2.2. Mecânica
O processo mecânico se dará através da confecção de uma caixa a partir de
um plástico, o Poliestireno Cristal, e sua usinagem será feita nas depêndencias da
instituição de ensino. A primeira etapa seria o corte da chapa adquirida em seis
partes, para a montagem de um paralelepípedo retangulo, de acordo com as
medidas a seguir.
Comprimento x Largura x
Altura
170 mm x 170 mm x 70
mm
Espessura do Material
3 mm
Placas da Lateral
170 mm x 70 mm
Placas Superiores e
Inferiores
170 mm x 170 mm
Tabela 9: Dimensões da
caixa de proteção.
Fonte:
Autores
(2014)
Após essa parte do processo realizada, uma abertura hexagonal será feita em uma
das placas para o encaixe da tomada de conexão com o ventilador.
Um pequeno canal deverá ser furado para o encaixe do sensor de
temperatura, para que este fique em contato com o meio ambiente. E por último,
outra abertura para a saída do cabo de alimentação, mas desta vez um canal
quadrado. Todos esses processos serão demonstrados à seguir através das folhas e
processo e dos desenhos.
2.2.1. Previsão de Custos
O orçamento dos materiais do processo mecânico será demonstrado a seguir
junto com sua quantidade e preço total do processo:
49
Tabela 10: Orçamento dos Materiais Mecânicos
Fonte: Autores (2014)
Verifica-se que as dimensões da chapa de poliestireno se encontram em
centímetros, 110 cm de largura por 80 cm de comprimento, como a espessura é
uniforme, entende-se como 2 mm. As medidas corretas seriam 1100 mm x 800 mm x
2 mm.
Este capítulo mostrou o planejamento que se deve ter ao desenvolver um
projeto, como seus circuitos, programação e processos mecânicos, junto com seus
respectivos
orçamentos.
O
capítulo
a
seguir
mostrará
o
processo
de
desenvolvimento deste projeto, bem como imagens dos circuitos prontos, softwares
de programação e processos mecânicos.
50
Capítulo 3 – Desenvolvimento do Projeto
Com toda a parte de pesquisa e planejamento prontos, a execução deverá
seguir os padrões abordados nos capítulos anteriores. A lista de processos
apresentados a seguir será uma espécie de diário de bordo da execução, contendo
todas as atividades e ações tomadas para o desenvolvimento do projeto e sua
finalização. Esta lista será divida em eletroeletrônica e mecânica, sendo que a parte
eletroeletrônica incluirá os processos tomados pela programação.
3.1. Eletroeletrônica
A seguir será feita uma lista de tarefas a serem executadas para a finalização
do projeto, e mais abaixo será feita a definição da tarefa e como foi realizada.
1) Compra dos componentes e dispositivos eletrônicos;
2) Montagem do circuito de alimentação;
3) Teste do circuito de alimentação;
4) Interligar os circuitos de controle e de entrada;
5) Testar programação em conjunto;
6) Montar Dimmer;
7) Interligar todos os sistemas;
8) Testar todo o sistema;
3.1.1. Definição das Tarefas
1) Compra dos componentes e dispositivos eletrônicos
A aquisição dos componentes se dará através de sites de vendas de
componentes eletrônicos e do bazar localizado no interior da instituição de ensino.
Uma tabela de preços foi montada de acordo com os preços pagos pelos
componentes no bazar da escola.
51
LOCAL: BAZAR
MATERIAL
QUANTD. X PREÇO
Capacitor 1000 μF / 40 V
1 x R$1,00
Diodo 1N4007
4 x R$0,10
Regulador de Tensão 7805T
1 x R$ 5,00
Conjunto Molex peq. 2 vias
1 x R$ 0,70
Interface de Potência
1 x R$ 13,00
Conjunto Molex grande 2 vias
2 x R$ 0,70
Resistor 510Ω
4 x R$0,05
Transistor BC557
4 x R$1,50
TOTAL
R$ 27,70
Tabela 11: Custos de componentes eletrônicos comprados no bazar
Fonte: Autores (2014)
Outra tabela listando os materiais adquiridos fora da escola foi montada
utilizando ainda a coluna quantidade x preço.
LOCAL: DIVERSOS
MATERIAL
QUANTD. X PREÇO
Transformador 1ª 127/12+12 V
1 x R$25,00
Sensor de temperatura LM35
1 x R$5,00
Módulo Bluetooth
1 x R$ 20,00
Arduíno UNO BlackBoard
1 x R$ 69,00
Plug Macho 10 A
1 x R$ 3,50
Plug Fêmea 10 A
1 x R$ 3,50
Cabo de Alimentação (metro)
1 x R$ 2,00
Jumpers
7 x R$ 0,20
Placa de Circuitos
1 x R$ 35,00
Dissipador de Calor
1 x R$ 1,00
TOTAL
Tabela 12: Custos de
componentes eletrônicos
comprados em diversos locais
Fonte: Autores (2014)
R$ 165,40
2) Montagem do Circuito de Alimentação
Após a aquisição dos componentes, o primeiro circuito a ser realizado é o
circuito de alimentação. O passo a passo dessa etapa do processo será descrito a
52
seguir. Como em qualquer circuito eletrônico, o primeiro componente a ser soldado
na placa é o menor, no caso, os diodos.

Cortar um pedaço da placa de circuitos;

Soldar quatro diodos formando uma ponte de diodos;

Soldar Conector Molex pequeno de 2 vias macho, presente no conjunto;

Soldar Capacitor de 1000 μF próximo à ponte de diodos;

Soldar Regulador de Tensão;

Parafusar Dissipador de Calor no Regulador de Tensão;

Interligar todos os componentes de acordo com o capítulo anterior;

Ligar o cabo de alimentação ao Plug macho de 10 A;

Soldar os fios de saída do Transformador na ponte de diodos;

Soldar os fios de entrada do Transformador ao cabo de Alimentação;
3) Teste do Circuito de Alimentação
Após a montagem do circuito de alimentação, o próximo passo é testá-lo,
para isso será necessária a utilização de um multímetro. Conecte a ponta de prova
vermelha ou positiva no terminal positivo do Conector Molex e a ponta de prova
preta ao terminal negativo. A saída deverá ser em torno dos 5 V contínuos, por isso
troque a posição da chave para a que melhor se encaixe, normalmente 20 V
contínuos.

Conecte as pontas de prova do multímetro no conector molex;

Altere a posição da chave de medição para 20 V DC;

Ligue o Plug macho já preso ao cabo de alimentação em uma tomada de
127 V;

Observe se no multímetro aparece algum valor em torno de 5 V (de 4,2 V a
5,7 V).
No circuito montado para o projeto, a tensão de saída ficou por volta dos 4,7
V, o que entra na margem de erro e serve para alimentar todos os componentes,
logo este circuito está pronto para ser utilizado.
53
4) Interligar os Circuitos de Controle e de Entrada
Para interligar os circuitos de controle e entrada basta soldar 4 jumpers a
outro pedaço da placa de circuitos, e mais 3 jumpers em outro local, para ligar o
Bluetooth e Sensor de Temperatura respectivamente.

Cortar um pedaço da placa de circuitos suficiente para o Bluetooth e o Sensor
de Temperatura;

Soldar 4 jumpers em um espaço que de para colocar o Módulo Bluetooth;

Soldar 3 jumpers em um espaço pequeno;

Soldar os pinos RX, TX, VCC e GND do Bluetooth em cada um dos jumpers;

Soldar cabos flexíveis de aproximadamente 10 cm aos jumpers que irão para
o sensor de temperatura;

Soldar cabos dos jumpers as portas correspondentes do Arduíno já previstas
no capítulo anterior;

Ligar um cabo do VCC e GND do Arduíno à Interface de Potência,
equivalente ao Módulo Relê;

Ligar um cabo de uma porta digital do Arduíno para o Conector Molex de sinal
da Interface de Potência;

Soldar os cabos ao Sensor.
5) Testar programação em conjunto
Após a interligação, será necessária a verificação de todos os componentes,
fazendo uma programação que seja parecida com o propósito final do projeto, se a
temperatura estiver acima de 25°C o relê ligará, e se o celular mandar um sinal
equivalente a “Manual”, o sensor deixará de funcionar e o celular é que decidirá se o
relê será ativado ou não. Após essa verificação foi comprovado que todos os
componentes estão funcionando e que a primeira parte do projeto está concluída.
6) Montar Dimmer e Acoplar motor
Com a primeira parte do ARR pronta, só faltaria o Dimmer para cumprir os
objetivos do projeto. Para isto, é necessária a montagem de seu circuito e para isso
serão necessários cabos mais grossos, pois eles transportarão 127 V.

Comprar o restante dos materiais para a confecção da placa;
54

Cortar um pedaço da placa de circuitos;

Soldar o resistor de 10 KΩ;

Soldar o DIAC;

Soldar o TRIAC;

Soldar o Conector Molex Grande de Saída e Entrada;

Soldar o Capacitor 220 nF;

Soldar o Potenciômetro com o segundo e o terceiro pinos curto-circuitados;

Fazer as conexões com cabos e trilhas de solda mais largas;

Parafusar um Dissipador de Calor no TRIAC;

Soldar um cabo de bitola 2,5 para Circuitos Elétricos no Conector Molex
Grande de Saída e ligar ao Plug Fêmea de 10 A;

Soldar o eixo do Motor com a caixa moto-redutora ao potenciômetro.
7) Interligar todos os sistemas
Após todas as placas e componentes soldados em suas respectivas ligações,
é necessário interligar todas as placas ao microcontrolador.

Ligar o Dimmer a Interface de Potência;

Verificar ligações da Interface de Potência ao Arduíno;

Verificar ligações do Bluetooth e do Sensor de Temperatura ao Arduíno;

Conectar a saída do circuito de alimentação à alimentação do Arduíno.
8) Testar todo o sistema;
Esta etapa faz a verificação da ligação de todos os circuitos ao Arduíno.

Fazer uma programação simples para ligar cada bloco separado;

Fazer uma programação simples para ativar um bloco de controle a partir do
Bluetooth e através do Sensor de Temperatura;

Controlar a Potência entregue à uma lâmpada incandescente através do
circuito de Dimmer;

Utilizar a programação completa para ativar um ventilador e controlar sua
potência.
55
Após a conclusão destas fases, é possível avaliar a situação da execução do
processo até sua fase final, mas o projeto necessita da caixa de proteção, que será
detalhada a seguir.
3.2. Mecânica
Devido dificuldades encontradas ao se confeccionar a caixa, foi optada por
uma sustentação de metal, no caso, foi utilizado o Alumínio. O Alumínio foi adquirido
com dimensões de 3300 mm x 12,5 mm x 1 mm (Comprimento x Largura x
Espessura). Para a armação da caixa também foram adquiridos rebites e
dobradiças. A tabela a seguir demonstra a relação da lista de materiais adquiridos
que não se encontravam no planejamento:
Alumínio
3300 x 12,5 x 1 mm³
Rebite
Diâmetro 3 mm
abela
13:
Componentes
adquiridos
pós-
planejamento.
Fonte: Autores (2014)
Dobradiça
Diâmetro do furo 3,5
mm
Os processos elaborados estão listados aqui por ordem de execução:
1) Compra da Placa de Poliestireno Cristal e da haste de Alumínio;
2) Compra da Cola;
3) Dimensionamento das placas;
4) Corte das placas;
5) Serrar as hastes de Alumínio com 170 mm de comprimento;
6) Furar as hastes com 3,5 mm de diâmetro para a conexão de todas elas
para a formação da sustentação
7) Abrir dois canais em uma das placas laterais com base nas dimensões
do plug fêmea e de um interruptor, respectivamente;
8) Furar a placa que ficará oposta a anterior com um diâmetro de 2,5 mm;
9) Juntar com rebites a dobradiça à armação;
10) Colar as placas em suas devidas posições na armação;
11) Cobrir o fundo com EVA (Espuma Vinílica Acetinada, uma espécie de
borracha);
56
RESULTADOS OBTIDOS
O projeto, a partir de todos os dados apresentados não pode ter sua parte
eletrônica concluída devido à dificuldade com o disparo do circuito de potência onde
o motor utilizado para manipular o potenciômetro possui uma rotação muito forte,
além do esperado, e acabaria por danificar o circuito. Mas a base do circuito
funcionou como esperado.
Ao acionar através de um aplicativo para Smartphones com sistema Android,
a tecla 1, o relé é ativado e permanece assim até que o sistema seja desligado pelo
interruptor ou receba o sinal equivalente a tecla 2 no celular. A tecla 0 ativa a leitura
do sensor de temperatura, mas esta leitura apenas acontece quando a tecla 0 for
pressionada,
problema
a
ser
consertado
através
da
programação
do
microcontrolador Arduíno. Se o sensor tem uma leitura superior a 25°C ele ativa o
relé.
O sistema eletroeletrônico está funcionando como planejado, exceto a o
circuito de dimerização que não foi interligado ao projeto. O sistema elétrico recebe
da rede 127 V alternados e tem como saída a partir do regulador de tensão 5 V.
Essa tensão de saída alimenta o Arduíno, relé, sensor de temperatura e módulo
Bluetooth. Existe também um interruptor que interrompe a corrente antes desta
chegar ao transformador. A saída do relê está interligado a um plug fêmea que será
a saída de todo o processo e ligará o ventilador.
A parte mecânica saiu como planejada e este setor seguiu a lista de execução
mostrada no capítulo de desenvolvimento a risca. Seguem-se fotos demonstrativas
sobre para mostrar o trabalho de montagem e acabamento nas vistas superior e
lateral.
57
Figura 21: Vista superior da caixa de proteção.
Fonte: Autores (2014)
Figura 22: Vista lateral da caixa de proteção
Fonte: Autores (2014)
58
Figura 23: Vista isométrica da caixa com o circuito pronto
Fonte: Autores (2014)
Figura 24: Vista superior da caixa com o circuito interno
Fonte: Autores (2014)
59
CONCLUSÃO
Com este Trabalho de Conclusão de Curso, foi possível contemplar a
dificuldade e a complexidade de um trabalho que envolva pesquisa, trabalho em
grupo e solução de problemas. Como abordado na Introdução, os ventiladores foram
sendo substituídos aos poucos pela sua falta de praticidade e comodidade aos
usuários.
Embora o projeto não tenha alcançado totalmente seus objetivos, a parte
concluída aumenta e muito a praticidade e a comodidade de um ventilador, por não
ter que se locomover até o ventilador, que muitas vezes se encontra em posições de
difícil acesso. Graças ao Bluetooth integrado no sistema, é possível acionar e
desativar o ventilador à distância e ainda se recebe um sinal de retorno onde é
possível se observar a temperatura atual no ambiente.
Foi possível identificar ferramentas essenciais para o planejamento e
execução de projetos, como o Diagrama de Gantt, verificou a vasta utilização do
Bluetooth, sistema atual para muitos sistemas de controle. Neste trabalho foi
possível alcançar os objetivos a seguir:

Tornar um dispositivo de controle em um módulo universal;

Difundir o uso de Smartphones em sistemas de controle;

Aplicar conceitos de Automação Mecatrônica ao implantar um sistema de
malha fechada;

Utilizar conceitos de usinagem e mecânica aos processos plásticos e
metálicos, como o Alumínio.
A partir deste projeto é possível perceber que a Mecatrônica por abordar
conceitos de muitas áreas tecnológicas, abre portas para áreas muito vastas de
conhecimentos e possibilita a solução de muitos problemas, mesmo que simples
como a falta de comodidade de um ventilador se comparado a um Ar Condicionado.
60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Alves. Dispositivos Semicondutores: diodos e transistores. 8. ed. São Paulo:
Érica, 2002.
MARTIGNONI, Alfonso. Transformadores. 4. ed. rev. Porto Alegre: Globo. 1979.
THOMAZINI, Daniel; ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores
Industriais: fundamentos e aplicações.
REFERÊNCIAS ELETRÔNICAS
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DIAC.
Disponível
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<http://www.electronica-
pt.com/content/view/169/>. Acesso em 10 de nov. de 2014.
Burgos
Eletrônica.
TRIAC.
Disponível
em:
<http://www.burgoseletronica.net/tiristores_triac.html>. Acesso em 10 de nov. de
2014.
Infowester.
Sistema
Bluetooth.
Disponível
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<http://www.infowester.com/bluetooth.php>. Acesso em 10 de nov. de 2014.
Filipe
Flop.
Módulo
Bluetooth
–
RS232
HC05.
Disponível
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<http://filipeflop.com/pd-b4742-modulo-bluetooth-rs232-hc-05.html>. Acesso em: 6
de nov. de 2014.
Webtrônico.
Sensor
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Temperatura.
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<http://www.webtronico.com/lm32-sensor-de-temperatura.html>. Acesso em: 6 de
nov. de 2014.
Addtherm.
Sensores
de
temperatura
–
LM35.
Disponível
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Tudo
sobre
plásticos.
Poliestireno.
Disponível
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<http://www.tudosobreplasticos.com/materiais/poliestireno.asp>. Acesso em: 11 de
nov. de 2014.
61
Sp
Modelismo.
Colas.
Disponível
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<http://www.spmodelismo.com.br/material/colas.php>. Acesso em: 11 de nov. de
2014.
Drucker
Institute.
Peter
Drucker’s
life
and
legacy.
Disponível
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<http://www.druckerinstitute.com/ peter-druckers-life-and-legacy/>. Acesso em: 13 de
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Papo
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Diagrama
de
Gantt.
Disponível
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TOLEDO, José Carlos de; AMARAL, Daniel Capaldo. FMEA: Análise do Tipo de
Falha.pdf. São Carlos, [200?].(673 kilobytes). Disco Removível.
ATMEL. ATMEL. Disponível em: <http://www.atmel.com/pt/br/>. Acesso em 14 de
nov. de 2014.
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<http://www.robocore.net/modules.php?name=GR_LojaVirtual&prod=530>.
em:
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Projeto 39. Arduino. Disponível em:<http://projeto39.wordpress.com/o-arduino/>.
Acesso em: 12 de nov. de 2014.
Como
tudo
funciona.
Relé.
Disponível
em:
<http://tecnologia.hsw.uol.com.br/rele.htm>. Acesso em: 8 de nov. de 2014.
62
ANEXOS
ANEXO A – DATASHEET TRANSFORMADOR
ANEXO B – DATASHEET LM35
ANEXO C – FMEA
ANEXO D – CRONOGRAMA FINAL
63
ANEXO A –
DATASHEET TRANSFORMADOR
64
65
66
ANEXO B –
DATASHEET LM35
67
68
69
ANEXO C –
FMEA
70
71
72
ANEXO D –
CRONOGRAMA FINAL
73
74