CHUVEIRO ELETRÔNICO COM AJUSTE DE TEMPERATURA CONTROLADO
POR MICROCONTROLADOR PIC
Autores: Eduardo Zampieri DALPOSSO, Willi Norberto ARENHART, Rúbia Rempalski Cordeiro da SILVA, Fernanda
Gonçalves WALTER, Jessé de PELEGRIN, Rafael Garlet de OLIVEIRA.
Identificação autores: Aluno do Ensino Médio Integrado em Automação Industrial do IFC – Campus Luzerna; Aluno do
Ensino Médio Integrado em Automação Industrial do IFC – Campus Luzerna; Aluno do Ensino Médio Integrado em
Automação Industrial do IFC – Campus Luzerna; Aluno do Ensino Médio Integrado em Automação Industrial do IFC –
Campus Luzerna; Professor do Ensino Médio Integrado em Automação Industrial do IFC - Campus Luzerna; Professor do
Ensino Médio Integrado em Automação Industrial do IFC - Campus Luzerna.
Introdução
Este projeto foi desenvolvido por alunos do segundo ano do Ensino Médio Integrado
em Automação Industrial, como parte da disciplina de Projeto Integrador II. O controle de
temperatura é muito comum em meio industrial e residencial, por isso a grande importância
no desenvolvimento de métodos para controle desta grandeza física. O objetivo do projeto é
desenvolver um sistema eletrônico inteligente, utilizando um microcontrolador para realizar o
controle de temperatura de um chuveiro, tal foi escolhido pensando em utilizar conhecimentos
das matérias já abordadas no curso e implementar métodos de controle conhecidos nas
indústrias. Para o bom funcionamento deste protótipo, os requisitos são referentes à leitura da
temperatura por meio de um sensor, apresentação do valor real da temperatura em um display,
permitir a escolha do valor de temperatura pelo usuário por meio de botões e alterar a
potência fornecida por meio de um sistema de acionamento.
Material e Métodos
Foi construída uma placa de potência baseada em um sistema de gradador. Esta placa
faz a medição da onda da rede elétrica de modo isolado para detectar o cruzamento com
0V, e também o acionamento da carga por meio do disparo de um Triac. Opto acopladores
são comumente usados no isolamento para acionar grandes cargas que poderiam interferir
com ruídos no circuito.
No sistema de medição foi utilizado sensor de temperatura LM35. É um sensor de
precisão que apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura em que ele se
encontra, assim que for alimentado por uma tensão de 5Vdc, tendo em sua saída um sinal
de 10mV para cada Grau Celsius de temperatura. Com base nestas informações acima e
também por meio de experimentos, foi desenvolvida a seguinte expressão para monitorar o
sensor.
𝑥𝑉 ∗ 1024
∗ 0.4883 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑡𝑢𝑟𝑎
5𝑉
Para essa conversão é realizada uma regra de 3 e esse resultado é multiplicado pelo
tamanho do degrau da escala. No microcontrolador essa conversão é feita pelo comando
read_adc multiplicado pela escala.
O posicionamento do sensor será definido na hora de construção do protótipo, não
podendo ficar muito perto da carga para não haver erros de leitura de temperatura, assim
provavelmente posicionado no ponto de saída da água.
Para a placa de controle, o microcontrolador PIC 16F877A foi escolhido por ser o
utilizado na matéria de Microcontroladores e por apresentar os requisitos mínimos
necessários para o projeto. Com ele é possível implementar o projeto com uma entrada
analógica e outra que tenha suporte a interrupção externa. Um display LCD faz a interação
com o usuário além de 2 botoeiras de pulso. O pino analógico faz a leitura do sensor de
temperatura e o pino de interrupção recebe a passagem por zero.
Para fazer o controle de temperatura foi usado o controle conhecido por ciclos inteiros.
Este controle consiste em comutar o semicondutor no momento exato da passagem da
tensão pelo valor zero, e manter este chaveamento por um número específico de ciclos, e
bloquear o circuito em outros ciclos, de forma periódica.[…] (Rodrigo dos Santos Martins,
2009) As vantagens desse sistema são: não gera harmônicos na rede elétrica, proporciona
um bom controle de temperatura para sistemas domésticos e industriais. Nota-se que é um
tipo de controle diferente do comumente conhecido gradador, pois o controle por ciclos
inteiros não deforma as ondas, ou seja, não ocorre o disparo do Triac se o valor de tensão
for diferente de zero. Ainda assim, não é considerado um controle On-Off, pois a média da
potência fornecida a carga apresenta diversos valores de amplitude.
Esse controle foi feito lembrando da inércia que a carga sofre, assim quanto mais
próximo da temperatura final, menor é a potência fornecida, para conseguir alcançar a
temperatura desejada sem ultrapassá-la, ou seja, sem produzir valor de overshoot.
A corrente na carga deve se comportar como na figura 1, a carga é desativada ou
acionada no momento exato em que a tensão da rede está em 0 V evitando harmônicos.
Figura 1: Controle por ciclos inteiros.
Fonte: Próprio autor (2015).
Resultados e discussão
O protótipo desenvolvido não foi montado em um chuveiro realmente, apenas em
um sistema simples de ebulidor de água. Este protótipo funcionou como o previsto,
utilizando-se da leitura da temperatura desejada como base para fazer o controle da
temperatura real, aquecendo de acordo com a diferença de temperatura entre a desejada e a
atual, sendo que quanto mais perto da temperatura desejada, menor é a potência para o
aquecimento. Quando a diferença é de 10 ºC ou mais, a potência enviada é a total, e enquanto
diminui essa diferença, a potência diminui gradativamente também, até chegar ao ponto de
estabilidade em que a temperatura atual é a desejada.
A ideia inicial para o sistema de medição era sua construção com o resistor variável
PT100. Entretanto, o projeto foi modificado, assim substituindo este sensor por um LM35 que
apresenta uma escala linear, sendo mais simples seu monitoramento e ganhando velocidade de
processamento para o programa com uma baixa margem de erro. Nos experimentos
realizados, foi alcançado o resultado esperado, obtendo um controle de temperatura com uma
margem de erro próxima a 2 ºC para mais ou para menos que o valor desejado, pode variar
dependendo da posição do sensor que pode estar em uma parte um pouco mais quente ou fria.
Em um dos testes foi analisado o comportamento dos disparos, nesse foi adotada a
diferença de 4 °C a qual deveria resultar em 50% da carga total ativando 4 ciclos contínuos e
desativando outros 4 em seguida. O resultado foi alcançado como vemos na captura de tela do
osciloscópio Figura 2.
Figura 2: Teste de disparo para 50% da potência da carga.
Fonte: Próprio autor (2015).
Conclusão
A partir deste trabalho é possível desenvolver outros futuros, aperfeiçoando os
métodos de controle para se chegar a um sistema onde ele aqueça com relação à vazão de
água, visto que quanto maior a vazão, mais rápido deve ser o aquecimento para que a água
chegue na temperatura desejada. Pode ser aprimorado com um sistema de gradador, para qual
não precisa de alterações no hardware simplesmente com configurações no PIC, o que
permite um método de controle fino. O protótipo do chuveiro acabou não sendo construído,
para realizar os testes foi utilizado um aquecedor elétrico e um balde com água, o sensor e o
aquecedor foram submersos no balde e perturbações foram geradas com água fria.
A matéria de microcontroladores foi a mais importante para desempenhar o trabalho,
as técnicas mostradas nas aulas foram implementadas, algumas só para curiosidade de pôr em
prática e outras para tentar melhorar o controle do chuveiro. Também relembramos conceitos
e o funcionamento de componentes trabalhados na matéria de eletroeletrônica estudada no
ano anterior.
A maior dificuldade encontrada foi conjugar o sistema de timer do microcontrolador
com as suas interrupções externas, dar prioridade para uma ou outra não funcionou, sendo o
maior motivo para não utilizar disparo por ângulo de um sistema de gradador e adotar os
ciclos inteiros para controle.
Referências
Orçamento Federal – Plano Nacional de Eficiência Energética. Disponível em:
<http://www.orcamentofederal.gov.br/projeto-esplanada-sustentavel/pasta-para-arquivardados-do-pes/Plano_Nacional_de_Eficiencia_Energetica.pdf>. Acesso: 20 de Maio de
2015.
DEXTREL - Dego`s Extreme Electronics Lab. Disponível em: <http://www.dextrel.net/
diyzerocrosser.htm>. Acesso: 20/05/15.
ABINEE - Associação Brasileira de Indústria Elétrica e Eletrônica. Disponível em:
<http://www.banhoeconomico.com.br/hist2.htm>. Acesso: 20/05/15.
MARTINS, Rodrigo dos Santos. Aquecimento de água usando ciclos inteiros. Instituto
Federal de Santa Catarina – IFSC. 2009.