Chuveiro Microcontrolado – Relatório do Trabalho
Final
Daniel Clemes Külkamp
Sanjay Formighieri
Departamento de Automação e Sistemas
Universidade Federal de Santa Catarina
[email protected]
Departamento de Informática e Estatı́stica
Universidade Federal de Santa Catarina
[email protected]
I. M OTIVAÇ ÃO
O controle de temperatura em chuveiros elétricos comuns
é realizado variando-se dois parâmetros: a resistência do chuveiro, através de uma chave localizada no próprio aparelho; e a
vazão de água. Ambos parâmetros apresentam inconvenientes.
A variação da resistência do chuveiro é incômoda por ser
muitas vezes de difı́cil acesso, especialmente para usuários
de baixa estatura. Por sua vez, a variação de vazão da água,
embora de fácil operação, é incômoda, visto que para se atingir
algumas temperaturas a vazão de água é muito reduzida,
resultando em um “banho de pingos”.
Esses problemas podem ser reduzidos se um controle inteligente desses parâmetros for desenvolvido. Com o avanço da
tecnologia, o controle da temperatura de chuveiros pode ser
realizado de maneira muito mais eficiente e acessı́vel.
II. O BJETIVOS
Desenvolver um chuveiro com controle inteligente de temperatura onde a temperatura desejada da água pode ser controlada pelo usuário.
O controle de temperatura será em malha fechada, isto é,
haverá a leitura por um sensor do valor de temperatura atual.
Essa leitura será importante na lei de controle para determinar
se o chuveiro deve aquecer mais ou menos a água.
O usuário poderá, ainda, verificar a temperatura atual da
água.
III. D ESENVOLVIMENTO
O desenvolvimento do projeto envolveu o estudo de conceitos de eletrônica de potência e de controle.
O controle da temperatura é feito através do controle da
dissipação de potência na resistência do chuveiro. As partes
do sistema estão descritas a seguir.
A. Princı́pio de funcionamento
Em um chuveiro elétrico comum, a água é aquecida por
meio de contato com uma resistência elétrica. A potência
dissipada por essa resistência é transferida na forma de calor
para a água.
A quantidade de potência dissipada na resistência do chu2
veiro é determinada pela fórmula P = VR . Uma vez que a
energia é dada pela integral da potência ao longo do tempo, o
Figura 1.
Retificador de tensão
controle do tempo de acionamento da resistência do chuveiro
determina a quantidade de energia transferida à água.
O acionamento da resistência em janelas de tempo permite
o controle de temperatura da água. A “inércia térmica” da
resistência permite manter a temperatura por algum tempo
enquanto não acionada.
Para o acionamento da resistência do chuveiro é utilizado
um TRIAC.
B. Componentes do Sistema
O sistema pode ser dividido em vários componentes, cada
um com funções especı́ficas.
1) Alimentação: O fornecimento de energia para o sistema
é uma parte complexa do sistema. Isto porque a resistência do
chuveiro é acionada com tensão alternada (AC) de 220VRM S e
os demais componentes são alimentados com tensão contı́nua
(DC) de 5V.
Uma vez que existe interação entre os dois sistemas, não se
pode simplesmente alimentar alguns componentes com bateria
e os demais componentes diretamente pela rede AC.
O conceito de tensão elétrica está atrelado a uma diferença
de potencial, ou seja, quando se fala em 5V, são 5V com
relação a um referencial de 0 (terra).
Para que os diferentes sistemas possam ser integrados, podese utilizar um retificador como o da figura 1, para a obtenção
de uma tensão contı́nua de 5V a partir da rede AC.
Outra solução possı́vel é utilizar um pino especı́fico do
STK500 para setar a referência de terra de acordo com o neutro
da rede AC. Essa solução, entretanto, só pode ser utilizada se
a fonte de alimentação do STK500 não utilizar a fase da rede
como referencial de tensão, o que acarretaria em curto circuito.
4) Circuito Detector de Cruzamento por Zero: O chaveamento da resistência do chuveiro não pode ser realizado a
qualquer instante, uma vez que, caso esse chaveamento não
Figura 2.
Diagrama IDEF0 do sistema
Figura 4.
Figura 3.
TRIAC controlando acionamento de resistência
2) Microcontrolador: O microcontrolador utilizado é um
AVR Atmega128, em uma placa de desenvolvimento STK500.
O microcontrolador é responsável por toda a lógica de
controle, recebendo as entradas do sensor de temperatura, o
sinal do detector de cruzamentos por zero e os comandos do
usuário. Ele deve fornecer os valores de temperatura atual e de
referência, além do comando para o circuito de acionamento.
Um diagrama IDEF0 do sistema pode ser visto na figura 2.
3) Circuito de Acionamento: O acionamento da resistência
do chuveiro é controlado por um TRIAC.
Um TRIAC, ou TRIode for Alternating Current, é um
componente eletrônico equivalente a dois retificadores controlados de silı́cio (SCR/tiristores) ligados em antiparalelo e
com o terminal de disparo gate ligados juntos. Este tipo de
ligação resulta em uma chave eletrônica bidirecional que pode
conduzir a corrente elétrica nos dois sentidos. O TRIAC faz
parte da famı́lia de transistores de potência.
Um TRIAC pode ser disparado tanto por uma tensão positiva quanto negativa, aplicada no eletrodo de disparo (gate).
Uma vez disparado, o dispositivo continua a conduzir até
que a corrente elétrica caia abaixo do valor de corte. Isto
torna o TRIAC um conveniente dispositivo de controle, que
permite acionar grandes potências (resistência do chuveiro)
com circuitos acionados por correntes da ordem de miliampere
(microcontrolador).
O uso do TRIAC torna imperativo o uso de uma referência
de zero comum para o circuito ao microcontrolador e à rede
AC. Dessa forma, o sinal de disparo do TRIAC pode ser
fornecido pelo microcontrolador.
A figura 3 mostra o uso do TRIAC para o acionamento
da resistência do chuveiro. Os pulsos de disparo no gate do
TRIAC são provenientes do microcontrolador
Detector de cruzamentos por zero
ocorra nos cruzamentos por zero da tensão da rede, ocorre a
geração de harmônicas. Essas harmônicas são prejudiciais e
devem ser evitadas. Existem normas que limitam a taxa de
distorção harmônica total máxima aceitável.
Uma das soluções para limitar a geração de harmônicas é
realizar sempre o chaveamento nos cruzamentos por zero. Para
isso, o sistema utiliza um circuito de detecção de cruzamento
por zero que pode ser visto na figura 4.
O circuito detector de cruzamentos por zero é feito
utilizando-se um comparador analógico disponı́vel no microcontrolador Atmega128. O sinal de entrada é limitado por um
divisor de tensão, seguindo as especificações da documentação
do STK500 e do Atmega128.
Um circuito externo pode ser usado, e a saı́da do comparador pode ser conectada a um dos pinos de entrada do
Atmega128.
Outra alternativa para a detecção de cruzamentos por zero é
utilizar um ADC para amostrar continuamente a tensão. Essa
alternativa, embora simples, não oferece a mesma velocidade
de resposta e precisão da anterior. Outra desvantagem dessa
alternativa é o uso de um ADC adicional, tornando difı́cil
a portabilidade do sistema para microcontroladores que não
possuem mais de um ADC.
5) Sensor de Temperatura: O sinal de tensão do sistema do
sensor de temperatura normalizado é conectado diretamente na
entrada de um dos ADC’s do Atmega128.
6) Interface com o Usuário: O usuário dispõe de 2 botões,
um para aumentar a temperatura de água desejada, outro para
diminuir a mesma.
Quando algum dos botões for pressionado, o display exibirá
a temperatura desejada atual por um tempo pré determinado,
caso contrário, o display exibirá a temperatura atual da água.
IV. R ESULTADOS
Surgiram problemas na implementação do circuito retificador, resultando na queima de componentes necessários ao uso
de um detector de cruzamento por zero externo.
Problemas no tratamento de interrupções no Atmega128
também impossibilitaram que se chegasse a resultados práticos
satisfatórios.