UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LUCAS CAMACHO FERREIRA SILVA
LUIZ ANDRÉ PIEKARSKI
CHUVEIRO COM CONTROLE AUTOMÁTICO
DE TEMPERATURA DA ÁGUA
CURITIBA - 2011
LUCAS CAMACHO FERREIRA SILVA
LUIZ ANDRÉ PIEKARSKI
CHUVEIRO COM CONTROLE AUTOMÁTICO
DE TEMPERATURA DA ÁGUA
Trabalho de Conclusão de Curso,
Departamento de Engenharia Elétrica,
Setor
de
Tecnologia,
Universidade
Federal do Paraná.
Orientador: Prof. Dr. Gustavo Henrique
da Costa Oliveira.
CURITIBA - 2011
LUCAS CAMACHO FERREIRA SILVA
LUIZ ANDRÉ PIEKARSKI
CHUVEIRO COM CONTROLE AUTOMÁTICO
DE TEMPERATURA DA ÁGUA
TRABALHO APRESENTADO AO CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA, DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ, COMO REQUISITO À OBTENÇÃO
DO TÍTULO DE GRADUAÇÃO.
COMISSÃO EXAMINADORA
PROF. DR. GUSTAVO HENRIQUE DA COSTA OLIVEIRA – UFPR
PROF. DR. EDUARDO PARENTE RIBEIRO - UFPR
PROF. DR. GIDEON VILLAR LEANDRO – UFPR
CURITIBA, JUNHO DE 2011
RESUMO
O aumento do uso da eletrônica e eletrônica de potência tem propiciado
melhorias em diversos produtos e segmentos. Este é o caso dos chuveiros
elétricos, que antes eram simplesmente resistências ligadas à rede elétrica
através de chaves mecânicas. Modelos mais novos já apresentam regulagem
de temperatura analógica com utilização da eletrônica de potência, mas sem
nenhuma automação aplicada. O foco deste projeto é o desenvolvimento de
um chuveiro com controle automático de temperatura da água. Será utilizado
um microcontrolador (PIC) responsável pelo controle digital, um MOSFET de
potência com os devidos complementos elétricos e eletrônicos atuando na
carga (resistência) utilizando a técnica de PWM a fim de se variar a potência
média aplicada à mesma e um sensor de temperatura que realimentará o
sistema.
Palavras chave: PWM e controle.
ABSTRACT
The increasing use of electronics and power electronics has enabled
improvements in different products and segments. This is the case of electric
showers, that before were just resistance connected to the electrical source
through mechanical switches. Newer models already have analog temperature
control using power electronics, but with no automation applied. The focus of
this project is the development of a shower with automatic control of water
temperature. A microcontroller (PIC) will be responsible for digital control, a
power MOSFET with appropriated electric and electronics additions will switch
the load (resistance) whit PWM technique in order to vary the average power
applied to it, and a temperature sensor will feedback the system.
Keywords: PWM and control.
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Chuveiro Lorenzetti Evolution Master original.................................13
Figura 2.2: Esquema de funcionamento do chuveiro........................................14
Figura 3.1: Flange de fixação e dissipação do atuador.....................................15
Figura 3.2: Flange de fixação e dissipação da ponte retificadora.....................16
Figura 3.3: Encaixe do relé................................................................................17
Figura 3.4: Local da fixação do sensor..............................................................18
Figura 3.5: Proteção do sensor..........................................................................18
Figura 3.6: Fixação dos contatos e fios com cola quente..................................19
Figura 3.7: Cabo de ligação entre atuador e circuito eletrônico........................19
Figura 4.1: Circuito de Alimentação...................................................................20
Figura 4.2: Circuito oscilador e alimentação do PIC..........................................21
Figura 4.3: Ligação dos botões e “display” LCD................................................22
Figura 4.4: Circuito de aquisição de dados........................................................23
Figura 4.5: Circuito para comunicação serial.....................................................24
Figura 4.6: Circuito atuador completo................................................................25
Figura 4.7: Característica on/off do MOSFET....................................................27
Figura 4.8: Circuito “snubber” em paralelo com o atuador................................28
Figura 4.9: Circuito completo.............................................................................29
Figura 5.1: Exemplo de PWM............................................................................32
Figura 6.1: Curva inicial da planta.....................................................................35
Figura 6.2: Parâmetros para modelagem de sistemas......................................35
Figura 6.3: Curva ajustada para fluxo mínimo de água.....................................37
Figura 6.4: Curva ajustada para fluxo máximo de água....................................37
Figura 6.5: Curva ajustada para fluxo médio de água.......................................38
Figura 6.6: Interface da ferramenta “rltool” do “MATLAB”.................................39
Figura 6.7: Reposta dos controladores para planta com fluxo mínimo de
água...................................................................................................................42
Figura 6.8: Reposta dos controladores para planta com fluxo máximo de
água...................................................................................................................42
Figura 6.9: Reposta dos controladores para planta com fluxo médio de
água...................................................................................................................43
Figura 7.1: Temperatura e “Set point” x instante
(com fluxo máximo de água)..............................................................................44
Figura 7.2: Temperatura e “Set point” x instante
(com fluxo mínimo de água)..............................................................................45
Figura 7.3: Temperatura e “Set point” x instante
(com fluxo pequeno de água)............................................................................46
Figura 7.4: Temperatura e “Set point” x instante
(com fluxo médio de água)................................................................................47
LISTA DE SIGLAS
A/D - Analógico/ Digital
BJT - Bipolar Junction Transistor (Transistor de Junção Bipolar)
CI - Circuito integrado
HMI – Human Machine Interface – Interface homem máquina
LCD – Liquid Crystal Display (Display de Cristal Líquido)
MOSFET - Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (Transistor de
Efeito de Campo de Semicondutor de Óxido Metálico)
PC - Personal Computer (Computador Pessoal)
PIC - Programmable Interrupt Controller (“Microcontrolador”)
PWM - Pulse Width Modulation (“Modulação por largura de pulso”)
TRIAC - TRIode Alternative Currente (Triodo de corrente alternada)
TTL - Transisto Transistor Lógic (Lógica Transistor Transistor)
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO……………………………………………………………………..11
1.1 OBJETIVOS………………………………………………………………12
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO……………………………………........12
2 MODO DE FUCIONAMENTO……………………………………………………13
3 ADAPTAÇÕES MECÂNICAS…………………………………………………....15
3.1 SISTEMA DE ATUAÇÃO……………………………………………….15
3.1.1 ADAPTAÇÃO DO MOSFET………………………………….15
3.1.2 DISSIPADOR DA PONTE RETIFICADORA………………..16
3.1.3 POSICIONAMENTO DO RELÉ………………………………16
3.2 LOCALIZAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA………………...17
3.3 LIGAÇÃO DO CHUVEIRO AO CIRCUITO ELETRÔNICO…………19
4 CIRCUITOS ELETRÔNICOS……………………………………………………20
4.1 CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO………………………………………..20
4.2 CIRCUITO DE PROCESSAMENTO…………………………………..21
4.2.1 INTERFACE COM O USUÁRIO……………………………..21
4.2.2 AQUISIÇÃO DE DADOS……………………………………..23
4.3 CIRCUITO DE COMUNICAÇÃO………………………………………24
4.4 CIRCUITO ATUADOR………………………………………………….25
4.4.1 “DRIVERS” ………………………………………………….....25
4.4.2 UTILIZAÇÃO DO MOSFET....……………………….…….....26
4.4.3 CIRCUITO “SNUBBER” ....……………………………..........27
4.5 CIRCUITO COMPLETO....……………………………........................29
5 PROGRAMAÇÃO……………………………………………………..................30
5.1 UTILIZAÇÃO DO LCD....……………………………...........................30
5.2 UTILIZAÇÃO DO CONVERSOR A/D………………………………....31
5.3 UTILIZAÇÃO DO “TIMER” …………………………………………….32
5.4 UTILIZAÇÃO DO PWM………………………………………………....32
5.5 UTILIZAÇÃO DA COMUNICAÇÃO SERIAL………………………....33
6 CONTROLE………………………………………………………………………..34
6.1 AMOSTRAGEM DA PLANTA……………………………………….....34
6.2 REPRESENTAÇÃO DA PLANTA…………………………………......35
6.2.1 REPRESENTAÇÃO NA PRÁTICA……………………….....36
6.3 CONTROLADOR DIGITAL…………………………………………......38
6.3.1 CONTROLADOR NA PRÁTICA…………………………......40
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS………………………………………………....44
7.1 TESTE FLUXO MÁXIMO…………………………………………….....44
7.2 TESTE FLUXO MÍNIMO …………………………………………….....45
7.3 TESTE FLUXO MÉDIO … …………………………………………......47
8 CONCLUSÃO……………………………………………………………………...49
REFERÊNCIAS BILIOGRÁFICAS………………………………………………...50
ANEXO I: FLUXOGRAMA DO SOFTWARE……………………………………..51
ANEXO II: CÓDIOGO DE PROGRAMAÇÃO…………………………………….52
1 INTRODUÇÃO
Com o aumento da utilização da eletrônica nos mais variados produtos, é
possível implementar sistemas que proporcionem maior economia de energia
elétrica e comodidade para o usuário.
No caso dos chuveiros de uso residencial mais comuns, a regulagem de
temperatura da água é feita através de uma chave com três posições: Inverno,
verão e desligado. Também é comum o controle, feito pelo usuário, da
temperatura regulando-se o fluxo de água, isto é, quanto menor o fluxo mais
quente fica a água. Uma evolução deste chuveiro é o modelo com controle
analógico de temperatura já com aplicação da eletrônica de potência, mas sem
nenhuma automatização, o que dá ao usuário um controle analógico gradativo
da temperatura, mas esse sistema ainda é muito sensível quanto ao fluxo de
água que entra no chuveiro.
Neste projeto foi desenvolvido um dispositivo para controle digital de
temperatura da água que sai de um chuveiro, onde o usuário escolhe a
temperatura desejada para o banho e o sistema a mantém constante
independente de qualquer distúrbio, como a quantidade de água que entra no
sistema
Com esse sistema o consumo de energia elétrica pode ser reduzido, uma
vez que só é aplicada a potência necessária para se chegar a uma temperatura
confortável diferente dos chuveiros convencionais que dispõem de apenas três
regulagens.
Para tal fim, foi empregada a teoria de controle digital de processos aliada a
eletrônica e a eletrônica de potência. O circuito de controle e sensoriamento foi
projetado para receber um sinal de tensão obtido através de um sensor de
temperatura e processar esse sinal para ser comparado com a temperatura
escolhida pelo usuário (“set point”) e então ser aplicado o controle automático
que atua na potência média aplicada a resistência do chuveiro.
11
1.1 OBJETIVOS
O objetivo deste projeto é o desenvolvimento de um chuveiro para uso
residencial que se utiliza de controle digital para regular a temperatura da água
automaticamente possibilitando um melhor ajuste da variável controlada e
maior conforto térmico para o usuário do sistema.
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está estruturado em 8 capítulos, sendo que o capitulo 1 é
introdutório.
Os capítulos 2 a 8 tratam do desenvolvimento do trabalho, começando no
capítulo 2 com o modo de funcionamento do projeto.
No capítulo 3 é apresentada a descrição da planta e as adaptações
mecânicas necessárias.
O capítulo 4 trata dos circuitos eletrônicos utilizados, desde a alimentação
até os atuadores.
No capítulo 5 é mostrada a programação do microcontrolador para
funcionamento do PWM, conversor A/D, timer e comunicação serial.
O capítulo 6 é a respeito do desenvolvimento do controle aplicado à planta,
desde a aquisição de dados até o algoritmo para o microcontrolador.
No capítulo 7 são apresentados os resultados práticos do projeto.
Por fim o capítulo 8 é a conclusão.
12
2 MODO DE FUNCIONAMENTO
O funcionamento básico do chuveiro é descrito neste capítulo. O modelo
escolhido como ponto de partida foi um chuveiro da Lorenzetti com 5500W de
potência total. A figura abaixo mostra o modelo utilizado:
Figura 2.1: Chuveiro Lorenzetti Evolution Master original.
O chuveiro original possui ajuste analógico da temperatura da água que
funciona através da técnica “phase control”, aplicada a um TRIAC. Variando-se
a resistência de um potenciômetro ajusta-se a constante RC do circuito de
disparo, que tem como sinal de entrada a senoide da rede de energia elétrica e
como saída um sinal dente de serra com a mesma frequência da rede, porém
com pico defasado de acordo com a constante RC. Assim, o ângulo de disparo
do TRIAC, que é controlado pelo circuito de disparo, varia a potência média
aplicada à carga.
No projeto desenvolvido, utiliza-se uma técnica de controle diferente da
“phase control”, que é a técnica PWM. Para esse fim é usado um MOSFET,
uma ponte retificadora e um relé.
Como a carga do chuveiro é composta de duas resistências ligadas em
paralelo, sendo uma delas correspondente a 58% da potência total (3150W) e
a outra correspondente a 42% da potência total (2350W), optou-se por utilizar o
MOSFET juntamente com a ponte retificadora, para controlar a potência
demandada para a resistência que corresponde a 58% da potência total e o
relé para ativar a outra resistência.
13
Inicialmente o usuário abre o registro para que a água flua através da
tubulação, até que a pressão de água seja suficiente para mover o diafragma
do chuveiro, conectando assim a resistência do chuveiro ao circuito de controle
e alimentação. Então o usuário escolhe a temperatura desejada para o banho
através dos botões de seleção situados no painel de interface com o usuário,
que possui também um display LCD para que seja possível a visualização da
temperatura escolhida.
No primeiro instante em que a água sai pelo chuveiro um sensor capta a
temperatura e a converte em um sinal de tensão que é proporcional a essa
medida. Esse sinal é digitalizado através de um conversor A/D que está
integrado ao processador (PIC) e é então comparado com o “set point”
previamente escolhido pelo usuário.
Com base na diferença entre a temperatura da água e a temperatura
escolhida para o banho, o processador calcula o ciclo de trabalho de um sinal
PWM que controla o chaveamento do MOSFET, que por sua vez varia a
potência média aplicada à sua parcela da carga (58%). Se mesmo usando os
58% da potência a temperatura da água não atingir o “Set point”, então o relé é
ativado adicionando os 42% da potência total, fazendo com que o sinal de
controle aplicado ao MOSFET varia a potência dos 42% ligados pelo relé, até
sua plenitude. Esse ciclo do cálculo do sinal de controle é repetido a cada 500
milissegundos até que o chuveiro seja desligado pelo usuário. Este esquema
de funcionamento pode ser visualizado na figura abaixo.
Figura 2.2: Esquema de funcionamento do chuveiro.
14
3 ADAPTAÇÕES MECÂNICAS
Como o projeto foi desenvolvido para operar em um modelo de chuveiro já
existente no mercado, algumas adaptações foram necessárias para fixar os
componentes, uma vez que toda a parte eletrônica foi feita de acordo com o
projeto.
3.1 SISTEMA DE ATUAÇÃO
3.1.1 ADAPTAÇÃO DO MOSFET
O chuveiro é uma carga de potência elevada (5500 W), e no caso do
projeto 58% da corrente que a carga demanda passa pelo MOSFET, é
necessário dissipar o calor no componente para evitar que o mesmo queime.
O chuveiro original utilizado já possuía um flange para dissipação, no
atuador, que fica em contato direto com a água fria que entra no sistema.
Sendo assim o atuador foi fixado neste flange conforme mostra a figura 3.1:
Figura 3.1: Flange de fixação e dissipação do atuador.
Para melhor a dissipação de calor foi utilizado pasta condutora entre o
flange e o MOSFET.
15
3.1.2 DISSIPADOR DA PONTE RETIFICADORA
Assim como o MOSFET, a ponte retificadora precisa suportar 58% da
corrente que a carga demanda, sendo assim, torna-se necessário um
dissipador de calor para este componente também.
O chuveiro original não tem nenhum suporte para a ponte retificadora, mas
tem uma cavidade com uma tampa parafusada por onde passa água fria logo
após o flange do MOSFET.
Então, foi feito um flange torneado em alumínio com o mesmo encaixe da
tampa original do chuveiro, que serve tanto para fixar a ponte retificadora como
para dissipar seu calor. O flange pode ser visto na figura 3.2.
Flange
Figura 3.2: Flange de fixação e dissipação da ponte retificadora.
3.1.3 POSICIONAMENTO DO RELÉ
Uma vez que o MOSFET atua em 58% da potência da carga, o relé atua
nos outros 42% da potência, mas este componente não necessita de
dissipador de calor.
O suporte onde estava fixado originalmente o circuito de disparo do TRIAC
foi o local escolhido para acoplar o relé possibilitando um encaixe firme,
conforme mostrado através da figura 3.3.
16
Figura 3.3: Encaixe do relé.
3.2 LOCALIZAÇÃO DO SENSOR DE TEMPERATURA
A posição do sensor de temperatura é muito importante, pois é ele quem
vai realimentar o circuito de controle, sendo assim sua leitura deve ser o mais
próximo possível da temperatura que o usuário vai sentir. O local de fixação
escolhido para o sensor foi o local por onde passa toda a água que sai da
câmara em que a resistência esta fixada.
O encapsulamento do sensor ficou em contato direto com a água, fixado
com resina epóxi para evitar vazamento de água nos contatos elétricos que
ficam na parte superior do chuveiro. Como os contatos do sensor são
mecanicamente frágeis, após serem soldados os fios, os contatos foram
fixados com cola quente.
A localização do sensor de ser vista nas figuras 3.4 e 3.5.
17
Figura 3.4: Local da fixação do sensor.
Figura 3.5: Proteção do sensor.
18
Figura 3.6: Fixação dos contatos e fios com cola quente.
3.3 LIGAÇÃO DO CHUVEIRO AO CIRCUITO ELETRÔNICO
Para que o usuário tenha fácil acesso ao painel de seleção de temperatura,
o circuito eletrônico correspondente foi instalado fora do chuveiro. Essa opção
também facilitou o projeto como um todo, pois os componentes do circuito
(transformador etc.) ocupam um espaço indisponível dentro do chuveiro.
Para ligar o circuito eletrônico ao atuador instalado no chuveiro foi utilizado
um cabo multivias 6 x 1mm² , como é mostrado através da figura 3.7.
Figura 3.7: Cabo de ligação entre atuador e circuito eletrônico.
19
4 CIRCUITOS ELETRÔNICOS
Para o controle e acionamento da planta utilizou-se da eletrônica como
base do desenvolvimento de um circuito controlador que possibilita a aquisição
do sinal correspondente à temperatura, o processamento dessa informação, o
acionamento do chuveiro e também a comunicação com o PC.
Para questões de implementação foi utilizada uma “protoboard”, pois a
mesma facilita as alterações e a montagem dos componentes.
Para efeito de análise o circuito foi subdividido em quatro circuitos:
Circuito de alimentação, circuito de processamento, circuito atuador e circuito
de comunicação.
4.1 CIRCUITO DE ALIMENTAÇÃO
O circuito de alimentação foi desenvolvido separadamente, pois eram
necessários dois níveis de tensão: 5V para alimentação do processador,
“display” de LCD,
CI para comunicação serial (MAX 232)
e 12V para
alimentação do sensor e acionamento do circuito atuador.
Para abaixar a tensão de 127V para 12V empregou-se um transformador
com potência de 2,7VA. Após isso para retificar a tensão foi colocada uma
ponte retificadora de 2A. Tanto o PIC quanto o MAX232 são muito sensíveis ao
“ripple” e não funcionam se o nível de tensão não for estável. Para deixar a
tensão estável e diminuir o “ripple” colou-se em paralelo à saída da ponte
retificadora um capacitor eletrolítico de 2200µF. Para se conseguir a tensão de
5V foi empregado o CI regulador de tensão 7805 e um capacitor eletrolítico em
paralelo de 1µF. O circuito completo pode ser visualizado na figura 4.1 abaixo.
Figura 4.1: Circuito de Alimentação.
20
4.2 CIRCUITO DE PROCESSAMENTO
Neste projeto são imprescindíveis para o controle da planta três funções de
um processador: Sinal PWM, Conversor A/D e comunicação serial de dados.
Por isso foi escolhido o microcontrolador PIC 16F877A [5], pois o mesmo
atende a todas essas necessidades além de possuir uma frequência de
operação elevada o que implica em alta velocidade de processamento.
Para colocar o PIC em funcionamento foi escolhida a frequência de “clock”
de 12MHz empregada ao sistema através de um circuito oscilador, proposto
pelo fabricante do microcontrolador, composto por 2 capacitores de 4ηF e um
cristal de quartzo de 12MHz. Também foi colocado um resistor de 10KΩ
conectado entre a fonte (5V) e o pino 1 do PIC, essa ligação é chamada de
“habilita geral” e sem ela o processador não funciona. Esse circuito pode ser
observado na figura abaixo.
Figura 4.2: Circuito oscilador e alimentação do PIC.
4.2.1 INTERFACE COM O USUÁRIO
Para que a temperatura possa ser escolhida pelo usuário foi desenvolvida
uma HMI composta por dois botões de pulso e um “display” LCD onde é
mostrada a temperatura desejada.
Quando os botões são acionados a tensão de 5V é aplicada aos pinos 37
ou 38 do PIC. Através do pino 37 a temperatura é incrementada e através do
21
pino 38 é decrementada. Também foram usados dois resistores de “pull-up” de
10KΩ para evitar o curto circuito na fonte.
No funcionamento do LCD para regulagem do contraste utiliza-se um divisor
de tensão resistivo composto por resistores de 10KΩ e 1,2KΩ ligados a
alimentação de 5V e ao pino 3 do “display” o que resulta em uma tensão de
0,8V que corresponde a um contraste aceitável. Os pinos 21, 22, 23 e 24 do
PIC fazem a transferência de dados para o LCD que lê esses dados nos pinos
14, 13, 12 e 11 sendo que o pino 14 é o bit mais significativo. Os pinos 19 e 20
do PIC são responsáveis pelas funções de escrita e habilitação para a escrita e
são conectados respectivamente aos pinos 4 e 6 do “display”. Os pinos 1, 5, 7,
8, 9 e 10 do LCD são ligados ao terra e o pino 2 é a alimentação do mesmo
que deve ser de 5V. O esquema elétrico desse circuito pode ser visualizado na
figura 4.3 abaixo.
Figura 4.3: Ligação dos botões e “display” LCD.
22
4.2.2 AQUISIÇÃO DE DADOS
Para aquisição de dados da planta foi utilizado o sensor de temperatura
LM35 alimentado em 12V ligado na entrada A/D do PIC que é correspondente
ao pino 3 do mesmo.
O sensor de temperatura LM35 [4] com o encapsulamento “TO-92” foi
escolhido pelo fato de ser pequeno o suficiente para ser adaptado dentro do
duto por onde sai toda a água da câmara onde a resistência do chuveiro está
fixada conforme mostrado na seção 3.2.2.
A temperatura de operação do sensor vai de -55°C à +150°C o que mostra
que o mesmo suporta a faixa de operação do chuveiro que vai desde a
temperatura ambiente até 50°C. Além de suportar as altas temperaturas o
mesmo tem uma relação linear entre temperatura e tensão de saída de
10mV/°C e uma precisão, garantida pelo fabricante, de 0,25°C. Como a
temperatura máxima da água é 50°C a tensão de saída máxima do sensor será
de 500mV. Para melhor compreensão das ligações elétricas o circuito pode ser
visualizado na figura 4.4 a seguir.
Figura 4.4: Circuito de aquisição de dados.
23
4.3 CIRCUITO DE COMUNICAÇÃO
Para que o projeto do controlador fosse implementado ao sistema, fez-se
necessária a amostragem da planta e o processamento dos resultados da
mesma. A forma mais eficiente e simples encontrada para possibilitar essa
ação foi o envio de dados do PIC a um PC através de comunicação serial.
O computador utiliza o protocolo RS232 para esse tipo de comunicação e o
circuito eletrônico utiliza níveis TTL de tensão, então para facilitar a
implementação da transferência de dados utilizou-se o CI MAX232 [6]
conectado ao circuito conforme mostra a figura 4.5. Assim a interface com o PC
depende apenas do “software” implementado no PIC. Como o circuito somente
envia dados, a conexão entre o circuito eletrônico e o terminal foi feita através
de um cabo e um conector do tipo DB contendo 9 pólos dos quais apenas 2
foram utilizados sendo o pólo 5 a referência e o pólo 2 o envio dos dados do CI
MAX232 para o PC.
Figura 4.5: Circuito para comunicação serial.
24
4.4 CIRCUITO ATUADOR
Para que a potência entregue a carga fosse controlada foi necessária a
aplicação de componentes de potência capazes de conduzir grandes valores
de corrente elétrica.
Por esse motivo foram utilizados dois componentes
principais, que são um MOSFET de potencia e um relé. Porém para acioná-los
e protegê-los foram usados alguns circuitos complementares que serão
apresentados na sequência.
Figura 4.6: Circuito atuador completo.
4.4.1 “DRIVERS”
A tensão máxima de saída das portas do PIC é 5V porém para o
funcionamento correto dos atuadores é necessário um nível de tensão maior
do que este. Para que o MOSFET possa conduzir a máxima corrente ele
25
necessita de um sinal de controle aplicado ao terminal chamado “Gate” de
aproximadamente 6V. Já o relé para ser acionado necessita de um sinal de
controle aplicado ao pólo 86 de 12V e uma corrente de aproximadamente
120mA.
Por esse motivo foram empregados circuitos chamados “Drivers” que são
transistores operando como chaves estáticas [8] que consistem em BJTs
polarizados na região de saturação, portanto o transistor que serve de drive
para o MOSFET liga e desliga na frequência do sinal PWM de controle que é
emitido pelo PIC fazendo com que a tensão de 12V seja utilizada para o
acionamento do MOSFET que controla a potência disponibilizada para a
resistência. No circuito de acionamento do relé foram necessários dois
transistores ligados em cascata, pois além da tensão de acionamento ser alta a
corrente para o mesmo fim também era alta. Um BJT foi utilizado como chave
para o acionamento de um MOSFET IRFZ46N de baixa potência que por sua
vez foi utilizado para acionar o relé. O IRFZ46N foi utilizado pelo fato de o BJT
utilizado (BC548) limitar a corrente de saída no coletor em algumas vezes o
valor da corrente que flui através da base e isso resulta em aproximadamente
100mA.
4.4.2 UTILIZAÇÃO DO MOSFET
A resistência do chuveiro demanda 5500W de potência. Ligada a rede
elétrica, que fornece 127V de tensão, a corrente elétrica máxima que fluirá
neste circuito, segundo a equação 1, é de 43,3 A. Para esse fim um
componente que suporte um elevado nível de corrente se faz necessário, por
isso foi escolhido o MOSFET IRFP260N [3] que suporta correntes de até 50A e
tensões máximas de 200V.
P =U *I
(1)
Os MOSFETs possuem um tempo de chaveamento intrínseco (tr e tf) (um
exemplo dessa dinâmica pode ser observado na figura 4.7). Com base nesse
tempo de chaveamento chega-se aos parâmetros de di/dt e dv/dt que são
variáveis fundamentais no projeto de circuitos de potência pois se os mesmos
não forem levados em consideração o componente chega a ruptura.
26
Figura 4.7: Característica on/off do MOSFET.
Possuindo um di/dt máximo de 486A/µs esse componente é sensível a
grande variação de corrente em um curto espaço de tempo. Como o tempo que
o componente leva para entrar em condução (tr) é de 60ηs o di/dt em A/µs ou
seja a variação de corrente elétrica que flui pelo transistor a cada µs, quando a
corrente é máxima na resistência do chuveiro é de 721,67A/µs o que é maior
do que o máximo suportado pelo componente. No intuito de diminuir a corrente
que passa pelo MOSFET optou-se por dividir a carga do chuveiro em duas
resistências ligadas em paralelo, onde a menos potente referente à 2300W
(resistência verão) é acionada por um relé (12V/25A) e a que demanda maior
potência, referente a 3200W (resistência inverno) é acionada e controlada pelo
MOSFET. Dessa maneira o di/dt máximo a que o transistor é submetido passa
de 721,67 para 419,9 A/µs que está abaixo do valor máximo aceitável.
Outra peculiaridade do MOSFET que deve ser observada é que o mesmo
não suporta tensões negativas entre os terminais “Drain” e “Source”, ou seja,
VDS deve ser sempre maior ou igual a zero. Por este motivo foi adaptada uma
ponte retificadora com capacidade de 50A conectada ao circuito para que no
semi ciclo negativo da tensão da rede o componente não fosse submetido a
-127V. A ponte é refrigerada por um dissipador que por sua vez é refrigerado
pela água corrente como foi observado na seção 3.2.1.2.
4.4.3 CIRCUITO “SNUBBER”.
“Snubbers” [7] são circuitos inseridos em conversores de potência, cuja
função é controlar os efeitos produzidos pelas reatâncias intrínsecas do
circuito. Eles podem amortecer oscilações, controlar as taxas de dv/dt e di/dt
27
além de grampear sobre tensões. Os mesmos podem ser ativos ou passivos,
dissipativos ou regenerativos [2].
No intuito de proteger o MOSFET de potência de sobre tensões, surtos de
tensão e principalmente tensões reversas foi utilizado uma topologia clássica
de “Snubber” passivo dissipativo chamada de “Snubber” RCD que utiliza um
diodo, um resistor e um capacitor dispostos da maneira apresentada a seguir:
Figura 4.8: Circuito “snubber” em paralelo com o atuador.
Nesta topologia de “Snubber” cada componente tem uma função importante
na proteção do circuito atuador. O circuito RC série colocado em paralelo com
o MOSFET serve para controlar a taxa de variação de tensão durante o
bloqueio e dissipar a energia no resistor evitando assim um pico de corrente.
Mesmo assim a energia é dissipada tanto no bloqueio quanto na condução do
atuador por isso é adicionado o diodo para que a energia seja dissipada
durante o período de bloqueio e não na condução.
28
4.5 CIRCUITO COMPLETO
Após concluir o projeto e montagem de cada circuito os mesmos foram
montados de forma que o funcionamento de todo o sistema pudesse acontecer,
resultando no circuito mostrado na figura abaixo.
Figura 4.9: Circuito completo.
29
5 PROGRAMAÇÃO
Todo o “software” foi desenvolvido em linguagem C de programação, uma
vez que para essa linguagem existe um número maior de bibliotecas, o que
facilita o desenvolvimento das rotinas para LCD, Timer, controle etc.
Assim que o software é inicializado as configurações para o PWM, LCD,
comunicação serial, “timer” e os registradores das portas I/O do PIC são
executados. Então o programa entra na rotina principal que fica em loop até
que o microcontrolador seja desligado ou “resetado”.
A rotina principal começa com as sub rotinas de seleção de temperatura,
que dependem da ação do usuário. Logo em seguida é feita a média de
temperatura lida pelo sensor e a filtragem de ruídos do mesmo. Então é
realizada a comunicação serial dos dados relevantes.
Depois da comunicação concluída entra a rotina do controle digital, que
calcula os parâmetros de erro e sinal de controle conforme a equação 6.23 da
seção 6.3.1. Uma vez calculado, o sinal de controle é aplicado ao ciclo de
trabalho do PWM, e então são feitos os cálculos para o acionamento ou não do
relé. Concluída a parte de controle, as variáveis são atualizadas e o ciclo
recomeça.
Como o sistema digital necessita de uma amostragem e atuação discreta, o
“timer” trabalha em paralelo com a rotina principal possibilitando a
temporização para o sistema.
Para melhor entendimento o fluxograma do software pode ser visto no
anexo I, e o código de programação no anexo II.
5.1 UTILIZAÇÃO DO LCD
O modo de visualização da temperatura, ou “Set point”, escolhido pelo
usuário é através do “display” LCD. Para utilização do mesmo foram usados
quatro bits responsáveis pelo envio da informação a ser mostrada, e mais dois
bits responsáveis pela escrita e habilitação para a escrita, conforme é
mencionado na seção 4.2.1.
30
Os bits referentes à informação enviada ao “display” são das portas C e D
do microcontrolador, e são eles RD2, RD3, RC4 e RC5, onde o último bit é o
mais significativo e o primeiro é o menos significativo.
Já para realizar a escrita habilitação para a escrita foram usados bits da
porta D, que são RD0 e RD2 respectivamente. Estes bits bem como os
referentes à informação enviada foram configurados como bits de saída através
dos registradores TRISD e TRISC do microcontrolador.
Os comandos para inicialização, envio de dados e alteração de
configurações do “display” foram feitos de acordo com as bibliotecas
disponíveis no programa de desenvolvimento e compilação.
5.2 UTILIZAÇÃO DO CONVERSOR A/D
O conversor A/D foi utilizado para passar o sinal do sensor de temperatura,
que é analógico, para um valor binário a fim de facilitar o processamento. O
PIC 16F877A dispõem de conversores A/D, na porta A, de 10 bits que
suportam uma tensão máxima de 5V, possibilitando uma resolução de 4,88mV
por nível, o que corresponde a uma precisão de 0,5°C na leitura d temperatura.
O conversor A/D escolhido foi o AN1, no bit RA1 da porta A, que foi
configurado como entrada através do registrador TRISA.
Como a temperatura máxima do chuveiro não passa de 50°C o sensor de
temperatura não aplicará na entrada A/D uma tensão maior que 500mV, de
acordo com a resposta do sensor que pode ser vista na seção 4.2.2.
O “software”, através de um comando de leitura do conversor A/D, lê o sinal
proveniente do sensor de temperatura e armazena a informação em uma
variável especifica. No intuito de diminuir o ruído que é medido juntamente com
o sinal de temperatura o “software” realiza uma média de cada 100 leituras,
que são realizadas a cada 5ms como será visto na seção 5.3.
31
5.3 UTILIZAÇÃO DO “TIMER”
Como a proposta do projeto é a aplicação do controle digital, é necessário
que a planta, o sinal de temperatura e até mesmo o sinal de controle sejam
amostrados com intervalos iguais de tempo. Para isso foi utilizado no “software”
o “Timer 0” disponível no PIC.
O “timer 0” é uma registrador de 8 bits, configurado através dos
registradores OPTION_REG e INTCON, que é incrementado a cada ciclo de
máquina e quando ocorre estouro do mesmo um bit de interrupção é “setado”
no registrador INTCON e a contagem recomeça.
A frequência utilizada para o microcontrolador foi de 12MHz, o que
corresponde a um período de 83,33ηs e um ciclo de máquina de 0,3333µs.
Para ajustar a temporização foi utilizado um “Prescaler” de 1:64 no “timer 0”
que resultou em 5ms de temporização, e mais um contador na rotina principal
do “software” totalizando 500ms, que foi a amostragem utilizada para o projeto.
5.4 UTILIZAÇÃO DO PWM
Para que a potência média na carga (resistência) seja variável de forma
controlada, a técnica usada foi o PWM (“Pulse Width Modulation”), que consiste
na variação do ciclo de trabalho de um sinal de frequência fixa, como mostra a
figura 5.1. Com essa técnica o circuito atuador, possibilita a variação da
potencia média entregue à carga.
Figura 5.1: Exemplo de PWM.
32
O PIC 16F877A possui esta ferramenta no bit RC1 e RC2 da porta C. O
escolhido foi o PWM2, no bit RC1.
A configuração da freqüência de operação, o ciclo de trabalho e os
comandos de ligar e desligar o PWM foram feitos através de software na rotina
principal. A freqüência usada foi de 800Hz, o que é suficiente em relação à
rede elétrica de 60Hz para um bom PWM.
5.5 UTILIZAÇÃO DA COMUNICAÇÃO SERIAL
Com o intuito de possibilitar a amostragem da planta, e até mesmo o envio
dos dados em tempo real, optou-se por estabelecer uma comunicação com um
PC através da comunicação serial.
Uma vez que a necessidade era de envio de informação e não de
recebimento, no software foi configurado apenas um bit, para esse fim, da porta
B. O bit RB1 configurado como saída através do registrador TRISB foi
escolhido para esse fim.
Por meio do software os comandos referentes à comunicação serial foram
configurados, como por exemplo, a velocidade de envio (14400 bits/s) bem
como o bit para envio de dados. O pino RB1 foi ligado ao CI MAX232, como
mostrado na seção 4.3.
33
6 CONTROLE
A aplicação do controle digital é o ponto principal para se obter um projeto
capaz de controlar automaticamente a temperatura da água, mas para se
chegar ao projeto do controlador foram necessários alguns passos que serão
mostrados nas seções a seguir.
6.1 AMOSTRAGEM DA PLANTA
O primeiro passo para o projeto do controlador foi encontrar uma boa
representação da planta, pois assim a dinâmica do processo é levada em conta
e o controlador pode ser ajustado de forma mais precisa.
Como visto na seção 5.3, o tempo de amostragem do projeto foi de 500ms,
ou seja, a cada meio segundo o software captura o valor da temperatura na
saída do sistema, aplica o sinal de controle no atuador e ainda envia pela
comunicação serial as informações necessárias.
A técnica usada para levantar a curva da planta foi o da aplicação de um
degrau no sinal de controle, ou seja, a aplicação da potência máxima do
chuveiro.
Sendo assim esse processo se deu da seguinte maneira:
Primeiro o registro de água foi aberto possibilitando a vazão de água, e
então se ligou a chuveiro na potência máxima.
No instante em que o chuveiro foi ligado, os dados da temperatura de saída
do sistema e o respectivo instante em que foram medidos começaram a ser
enviados para o PC através da comunicação serial, gerando uma tabela de
dados. Este processo aconteceu por cerca de 60s e então o chuveiro foi
desligado. Com os dados no PC foi possível gerar um gráfico com uma curva
inicial da planta, como mostra a figura 6.1.
34
Figura 6.1: Curva inicial da planta.
6.2 REPRESENTAÇÃO DA PLANTA
Uma vez com a curva da planta, foi necessário representá-la através de
uma equação, denominada equação da planta, com um formato adequado para
facilitar o projeto do controlador.
Para se chegar a esse formato foi usada a técnica de modelagem
paramétrica conhecida como “caixa preta”. Para essa técnica retiram-se alguns
parâmetros da curva da planta, que são aplicados a um modelo padrão de
equação. A figura 6.2 mostra os parâmetros tirados de uma resposta ao degrau
padrão.
τ
Figura 6.2: Parâmetros para modelagem de sistemas.
35
O ganho da planta é o parâmetro k, que é o ponto de saturação da curva. O
parâmetro τ é o atraso da planta, e é obtido traçando-se uma reta tangente ao
ponto de inflexão da curva. O valor de τ é o ponto de cruzamento desta reta
com o eixo x. Já o parâmetro T é o tempo de subida da planta até 63% do
ponto de saturação.
O modelo de equação padrão para essa modelagem paramétrica é:
H ( s ) = e −τs
k
Ts + 1
(6.1)
Utilizando a aproximação de Padé de primeira ordem obtém-se:
ex = 1+
x
1!
(6.2)
e,
e −x =
1
1+ x
(6.3)
chegando à seguinte equação:
H (s) =
k
τTs 2 + (τ + T ) s + 1
(6.4)
6.2.1 REPRESENTAÇÃO NA PRÁTICA
Para aplicar a teoria mostrada nas equações 6.1 à 6.4, levou-se em conta
também a questão do fluxo de água. Uma vez que a abertura do registro de
água é feita pelo o usuário, o fluxo pode ser diferente a cada uso.
Com o intuito de prever a mudança no fluxo de água foram levantadas três
curvas para a planta, uma com fluxo mínimo, outra com fluxo máximo e outra
com fluxo médio de água.
Para o fluxo mínimo de água a curva da planta ficou conforme a figura 6.3,
e a representação da planta conforme a equação 6.5.
Hmín ( s ) =
19
12,06 s + 8,5s + 1
2
(6.5)
36
Figura 6.3: Curva ajustada para fluxo mínimo de água.
Para o fluxo máximo de água a curva da planta ficou conforme a figura 6.4,
e a representação da planta conforme a equação 6.6.
Hmáx ( s ) =
10,5
8,82 s + 6,7 s + 1
2
(6.6)
Figura 6.4: Curva ajustada para fluxo máximo de água.
37
Por fim, para o fluxo médio de água a curva da planta ficou conforme a
figura 6.5, e a representação da planta conforme a equação 6.7.
Hmed ( s ) =
15
11,7 s + 8,3s + 1
2
(6.7)
Figura 6.5: Curva ajustada para fluxo médio de água.
6.3 CONTROLADOR DIGITAL
Com as equações da planta formadas, foi possível projetar o controlador
através do “MATLAB”, com a ferramenta “rltool”. Nessa ferramenta um
controlador contínuo é projetado pela alocação de pólos e zeros e sua resposta
é vista em tempo real para se obter a dinâmica esperada. Para a planta em
questão a melhor dinâmica encontrada foi alocando o pólo em zero, ajustando
o ganho do controlador para um valo pequeno (<0,3) e posicionando o zero de
forma a se obter o menor tempo de estabilização com a menor sobre elevação
possível. A interface da ferramenta “rltool” pode ser vista na figura 6.6, bem
como a resposta do controlador aplicado à planta em malha fechada com um
sinal degrau unitário na entrada.
38
Figura 6.6: Interface da ferramenta “rltool” do “MATLAB”.
A partir do controlador contínuo (domínio s), foi possível representá-lo no
domínio z utilizando o método “Tustin” [1], que é mostrado na equação 6.8.
s=
2 ( z − 1)
∆t ( z + 1)
(6.8)
onde ∆t é o período de amostragem do sistema (usado no projeto ∆t=0,5s).
No caso do chuveiro os controladores projetados foram todos de primeira
ordem, sendo assim, aplicando-se a equação 6.8, chegou-se a um controlador
em z também de primeira ordem, como o da equação 6.9.
C ( z) =
Az − B
z −1
(6.9)
Por fim com o controlador no domínio z foi possível chegar ao controlador
discreto através das equações 6.10 à 6.13.
C ( z) =
U ( z)
E( z)
(6.10)
onde U(z) é o sinal de controle e E(z) é o erro.
39
E ( z) = W ( z) − Y ( z)
(6.11)
onde W(z) é o “set point” e Y(z) é o sinal medido.
X ( z ) = x( k )
zX ( z ) = x( k + 1)
(6.12)
(6.13)
Usando as equações 6.9 e 6.10 obteve-se:
C (z) =
U ( z ) Az − B
=
E ( z)
z −1
U ( z )( z − 1) = E ( z )( Az − B)
U ( z ) z − U ( z ) = E ( z ) zA − E ( z ) B
e com as equações 6.12 e 6.13 obteve-se:
u (k + 1) − u ( k ) = e(k + 1) A − e( k ) B
u (k + 1) = u (k ) + e( k + 1) A − e(k ) B
Então chegou-se ao controlador discreto, como mostra a equação 6.14.
u (k ) = u ( k − 1) + e( k ) A − e( k − 1) B
(6.14)
6.3.1 CONTROLADOR NA PRÁTICA
Como foi visto na seção 6.2.1, foram levantadas três equações para
representar a planta, sendo assim, chegou-se a três controladores diferentes,
um para cada situação. Através das ferramentas e da teoria mostrada acima os
controladores projetados foram:
Controlador para fluxo mínimo de água:
C ( s ) mín =
0,1224 s + 0,017
s
(6.15)
40
C ( z ) mín =
0,1309 z − 0,1139
z −1
u (k )mín = u ( k − 1) + 0,1309e( k ) − 0,1139e( k − 1)
(6.16)
(6.17)
Controlador para fluxo máximo de água:
C ( s ) máx =
0,217 s + 0,035
s
C ( z ) máx =
0,2345 z − 0,1995
z −1
u (k )máx = u (k − 1) + 0,2345e( k ) − 0,1995e( k − 1)
(6.18)
(6.19)
(6.20)
Controlador para fluxo médio de água:
C ( s )med =
0,162 s + 0,02
s
C ( z )med =
0,172 z − 0,152
z −1
u (k ) med = u ( k − 1) + 0,172e( k ) − 0,152e( k − 1)
(6.21)
(6.22)
(6.23)
Por mais que a planta apresente respostas diferentes para a variação do
fluxo de água, o controlador usado no microcontrolador deve ser apenas um.
Então cada controlador foi aplicado nas três situações de planta para se
escolher o que tem o melhor desempenho.
Os resultados de cada controlador para as planta com fluxo mínimo,
máximo e médio, respectivamente, podem ser vistos nas figuras a seguir. A
resposta do controlador projetado para fluxo máximo é mostrada em roxo, a do
controlador para fluxo mínimo é mostrada em amarelo e em azul pode ser
visualizada a resposta do controlador para fluxo médio.
41
Controladores para fluxo mínimo de água:
Figura 6.7: Reposta dos controladores para planta com fluxo mínimo de água.
Controladores para fluxo máximo de água:
Figura 6.8: Reposta dos controladores para planta com fluxo máximo de água.
42
Controladores para fluxo médio de água:
Figura 6.9: Reposta dos controladores para planta com fluxo médio de água.
Analisando as figuras acima nos aspectos referente à sobre elevação e
tempo de estabilização do sistema, optou-se por implementar o controlador
para fluxo médio de água.
43
7 ANÁLISE DOS RESULTADOS
O sistema foi testado em diversas condições de fluxo de água e com
variações no “set point”. As respostas apresentadas pelo sistema a cada tipo
de teste serão mostradas e comentadas a seguir.
7.1 TESTE FLUXO MÁXIMO
Na figura 7.1 a seguir pode-se observar a resposta do sistema à variação
do “set point”, atuando com o fluxo de água máximo que a instalação hidráulica
podia fornecer. No eixo das abscissas os valores chamados de instantes
representam intervalos de tempo fixos de 0,5s e no eixo das ordenadas estão
os valores de temperatura que são expressos em ºC.
Figura 7.1: Temperatura e “Set point” x instante (com fluxo máximo de água).
Nesse ensaio a torneira foi aberta ao máximo e a água que fluía pela
tubulação estava inicialmente a 19ºC. Após os contatos do chuveiro fecharem,
ligou-se o controlador escolhendo a temperatura de 24ºC. Observou-se então
uma rápida resposta do sistema que eleva e estabiliza a temperatura em 24ºC
6,5s após a temperatura ser escolhida pelo usuário. Em 50s de funcionamento
verificou-se que a temperatura média após a estabilização era de 23,5ºC.
Depois de 50s com a temperatura estabilizada mudou-se o “set point” para
44
32ºC e verificou-se então um tempo maior para o aquecimento da água que
chega e se estabiliza em 31ºC após 15s. Ao longo de 40s de funcionamento a
temperatura média da água foi 31,2ºC, porém através da figura 7.1 nota-se a
tendência de que em um tempo maior de funcionamento essa média aumente.
Após isso a temperatura escolhida foi a de 37ºC para que o sistema chega-se a
saturação, que ocorreu em torno de 33ºC em um tempo de 6,5s.
No intuito de testar a velocidade da resposta à uma diminuição da
temperatura escolhida pelo usuário variou-se a temperatura do “set point” de
35ºC para 24ºC e observou-se que o tempo para se chegar até a temperatura
de 25ºC foi de 12s e a média após 45s de funcionamento foi de 23,5ºC.
7.2 TESTE FLUXO MÍNIMO
Semelhantemente ao teste do fluxo máximo foi realizado um teste para um
fluxo mínimo de água que resultou na resposta do sistema conforme
apresentado no gráfico da figura 7.2.
Figura 7.2: Temperatura e “Set point” x instante (com fluxo mínimo de água).
Nesse ensaio a água estava inicialmente a 19ºC. Então, ligou-se o
controlador escolhendo a temperatura de 24ºC e observou-se a estabilização
45
do sistema em 6,5s, e uma média de temperatura de 23,6°C nos 43s seguintes.
Após isso o “set point” foi levado a 30°C, apresentando um tempo de
estabilização de 9s e uma média de temperatura de 29,5°C nos 37s seguintes.
Então o “set point” foi levado a 37°C e observou-se a estabilização do sistema
em 15s. Nota-se na figura 7.2 que no instante 245 ocorreu uma queda na
temperatura lida pelo sensor até 28°C. Isso se deu pois, neste instante houve
um distúrbio no fluxo de água fazendo com que o diafragma do chuveiro
desligasse, mas no instante 265, quando o fluxo voltou ao normal, o sistema
controlou novamente a temperatura da água chegando ao “set point” em 10s, e
apresentando uma média de 36,1°C nos 35s seguintes. Aqui também pode-se
notar que a média tende a aumentar com o passar do tempo.
Como o sistema ainda não estava saturado, foi escolhida uma temperatura
de 42°C para testar a resposta do sistema, que em 7 ,5s chegou a 40°C onde
ocorreu a saturação para o fluxo mínimo de água. Então para finalizar o teste
baixou-se o “set point” para 27°C e observou-se a estabilização do sistema em
11s, com uma média de 26,3°C nos 26s seguintes.
Como para o fluxo mínimo de água a probabilidade de acorrerem distúrbios
é maior, como foi visto na figura 7.2, então se realizou mais um teste com fluxo
pequeno de água, um pouco acima do mínimo e os resultados podem ser
vistos na figura 7.3.
Figura 7.3: Temperatura e “Set point” x instante (com fluxo pequeno de água).
46
Nesse teste com o “set point” em 24ºC observou-se a estabilização do
sistema em 5,5s, e uma média de temperatura de 23,65°C nos 53s seguintes.
Com o “set point” em 31°C o sistema estabilizou-se em 12s e apresent ou uma
média de 30,4°C nos 47s seguintes. Então foi testad a a saturação do sistema
para esse fluxo de água, com “set point” de 41°C, tempo de estabilização de
8,5s e temperatura máxima de 36°C.
Por fim baixou-se o “set point” para 24°C, e observou-se a estabilização em
13s, com média de 23,5°C nos 33s seguintes.
7.3 TESTE FLUXO MÉDIO
Para completar os três casos de planas foi realizado um teste para um fluxo
médio de água que resultou na resposta do sistema conforme apresentado no
gráfico da figura 7.4.
Figura 7.4: Temperatura e “Set point” x instante (com fluxo médio de água).
Nesse teste com o “set point” em 25ºC observou-se a estabilização do
sistema em 5,5s, e uma média de temperatura de 24,55°C nos 40s seguintes.
Então o “set point” foi elevado a 30°C e o sistema estabilizou-se em 1 2s, com
47
uma média de 29,43°C nos 45s seguintes. Para testar a saturação do sistema
o “set point” usado foi de 36°C, com tempo de estabilização de 6 s e
temperatura máxima de 34°C.
Para finalizar baixou-se o “set point” para 25°C, e observou-se a
estabilização em 9,5s, com média de 24,43°C nos 37s seguintes.
48
8 CONCLUSÃO
Depois de realizados e analisados os testes descritos no capítulo 7 concluise que a temperatura da água que sai do chuveiro foi devidamente controlada
com uma pequena variação de ± 0,5ºC, que é correspondente a precisão do
sensor de temperatura resultado que é imperceptível para o usuário. Isso
ocorre dentro de um tempo previsto de aproximadamente 15 segundos. Esses
resultados práticos estão de acordo com o controlador projetado no capítulo 6,
mostrando um resultado positivo no desenvolvimento da proposta do projeto.
Para se chegar aos resultados apresentados acima foram necessárias
várias etapas, onde barreiras que não haviam sido estudadas a fundo na teoria
apareciam, fazendo com que o desenvolvimento do projeto fosse prejudicado.
Entre as maiores dificuldades estavam a utilização do MOSFET, pois o fato de
a corrente variar de 0 a 43,3A no tempo de chaveamento do mesmo fazia com
que o componente rapidamente queimasse. Outra dificuldade foi descobrir que
o tempo de envio de dados ao LCD atrapalhava os cálculos do software
fazendo com que o controlador não atuasse corretamente levando o sistema a
um regime oscilatório. Problemas como esses fizeram com que o tempo de
conclusão do projeto aumentasse levando a não otimização de alguns circuitos.
As áreas de conhecimento envolvidas neste projeto englobam controle
digital de processos, eletrônica, eletrônica de potencia, programação e
instrumentação eletrônica, sendo assim um projeto bastante abrangente
fazendo com que sirva de base para futuros estudos nas áreas já citadas.
49
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] ASTRON Karl J.; WITTENMARK Bjorn. Computer-Controlled Systems
Theory and Design (3ª edição). Prentice Hall, New Jersey, 1996.
[2] CAVALCANTI, Claudio Marzo; PINHEIRO, André Alves. Circuitos de
Auxílio à Comutação. Trabalho da disciplina Eletrônica de Potencia (Pós
Graduação em Engenharia Elétrica) – UFC, Fortaleza. 2003.
[3] Data sheet – IRFP260N. Disponível em:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/I/R/F/P/IRFP260N.shtml
Acesso em: 21 de abril de 2011.
[4] Data sheet – LM35. Disponível em:
http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/3/5/LM35.shtml
Acesso em: 21 de abril de 2011.
[5] Data sheet – PIC16F877A. Disponível em:
http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/1/6/F/8/16F877.shtml
Acesso em: 24 de abril de 2011.
[6] MEISSNER, José Walter. Controle de temperatura do fluxo de água
através de um misturador. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em
Engenharia Mecatrônica) – PUC PR, Curitiba. 2005.
[7] RASHID, Muhamed H. Eletrônica de Potencia, Circuitos, Dispositivos e
Aplicações. Makron Books, São Paulo.1999. pp.712.
[8] SEDRA, Adel. S.; SIMITH Kenneth. C. Microeletrônica (5ª edição).
Pearson Makron Books, São Paulo. 2007. pp.256.
50
INÍCIO
ANEXO I
Inicialização do LCD
FLUXOGRAMA
Config. comunicação
serial
Config. timer e
interrupção
Config. PWM
Config. Portas I/O
0
Altera Set point
1
Estouro
Timer
Seleção
Set point
Imprime Set point
0
1
0
Armazena
co temperatura
(A/D)
K = 100
1
Incrementa k
Filtragem sinal do sensor de temperatura
Atualização das variáveis auxiliares (k=0, incrementa m)
Envio de dados (Comunicação Serial)
Cálculo do sinal de controle
1
1
Cálculo Relé
m = 10
0
Liga relé
0
Desliga relé
Sinal de controle p/ PWM
m =0
Atualização variáveis de controle
51
ANEXO II: CÓDIGO DE PROGRAMAÇÃO
#include <built_in.h>
//============LCD_config================
sbit LCD_RS at RD0_bit;
sbit LCD_EN at RD1_bit;
sbit LCD_D4 at RD2_bit;
sbit LCD_D5 at RD3_bit;
sbit LCD_D6 at RC4_bit;
sbit LCD_D7 at RC5_bit;
sbit LCD_RS_Direction at TRISD0_bit;
sbit LCD_EN_Direction at TRISD1_bit;
sbit LCD_D4_Direction at TRISD2_bit;
sbit LCD_D5_Direction at TRISD3_bit;
sbit LCD_D6_Direction at TRISC4_bit;
sbit LCD_D7_Direction at TRISC5_bit;
//===============Funçoes===============
void Inicializar ();
void interrupt ();
void Imprime_pwm_T();
void Imprime_Setpoint();
//===============Variaveis=============
unsigned float T=0, T1=0, T2=0, TF_atual=0, TF_antigo=0, alfa=0.8, Temperatura=0,
T_rele=0, Media_T_rele=0, Media_S_rele, Rele_on=0, Rele_off=0, Set_rele=0,
Erro_atual=0, Erro_passado=0, Setpoint=10, Duty_Cicle=0, DT=0,
PWM=0, PWM_invertido=0, Sinal_controle_atual=0, Sinal_controle_passado=0,
c1=0.172, c2=0.152, K1=0, K2=0, K3=0, K4=0;
unsigned short PWM_lcd, j=0, k=0, l=0, m=0;
char txt[4];
52
void main()
{
Inicializar();
Imprime_Setpoint();
while(1)
{
OPTION_REG = 0x85;
INTCON = 0xA0;
if (RB4_bit && Setpoint<50 && l==50)
//Seleção da temp. pelo usuário.
{
//
Setpoint=Setpoint+1;
//
Imprime_Setpoint();
//
l=0;
//
}
//
//
if (RB5_bit && Setpoint>10 && l==50)
//
{
//
Setpoint=Setpoint-1;
//
Imprime_Setpoint();
//
l=0;
//
}
if (k==100)
//Seleção da temp. pelo usuário.
//Contagem 0,5s p/ rotina de controle.
{
Temperatura=T/(2*k);
T1=TF_antigo*alfa;
T2=Temperatura*(1-alfa);
TF_atual=T1+T2;
//Média da Temperatura.
//Filtragem da Temperatura.
//
//
TF_antigo=TF_atual;
//Filtragem da Temperatura.
k=0;
//Atualização do contadores.
53
l=0;
//
T=0;
//
m=m+1;
//Atualização do contadores.
PWM_lcd=PWM*100;
Soft_UART_Write(TF_atual);
//Comunicação serial.
Soft_UART_Write(Setpoint);
//
Soft_UART_Write(PWM_lcd);
//
Soft_UART_Write(RB1_bit);
//Comunicação serial.
Erro_atual=Setpoint-TF_atual;
//Cálculo controle digital.
K1=c1*Erro_atual;
//
K2=c2*Erro_passado;
//
K3=K1-K2;
//
K4=Sinal_controle_passado+K3;
//
Sinal_controle_atual=K4;
//Cálculo controle digital.
T_rele=T_rele+TF_atual;
//Rotina do relé.
Set_rele=Set_rele+Setpoint;
//
if (m==10)
//
{
//
Media_T_rele=T_rele/m;
//
Media_S_rele=Set_rele/m;
//
Rele_on=Media_S_rele-Media_T_rele;
//
Rele_off=Media_T_rele-Media_S_rele;
//
if (Rele_on>=3)
//
{
//
RB1_bit=0;
//
PWM=0;
//
}
//
if (Rele_off>=3)
//
{
//
RB1_bit=1;
//
54
PWM=1;
//
}
//
T_rele=0;
//
Set_rele=0;
//
m=0;
}
//
//Rotina do relé.
PWM=Sinal_controle_atual;
//Sinal de controle para o PWM.
if (PWM>1){PWM=1;}
//
if (PWM<0){PWM=0;}
//
DT=(PWM*255);
//
Duty_cicle=DT+8;
//
PWM_invertido=255-Duty_cicle;
//
PWM2_Set_Duty(PWM_invertido);
//Sinal de controle para o PWM.
Erro_passado=Erro_atual;
//Atualização das variáveis de controle.
Sinal_controle_passado=PWM;
//Atualização das variáveis de controle.
}
}
}
//================FIM=======================
//===============Funções=====================
void interrupt (){
T=T+ADC_read(1);
k=k+1;
l=l+1;
INTCON = 0xA0;
}
55
void inicializar(){
Soft_UART_Init(&PORTC, 7, 6, 14400, 0);
OPTION_REG = 0x85;
INTCON = 0xA0;
TMR0 = 0x00;
PWM2_Init(800);
PWM2_Start();
TRISA = 0x02;
TRISB = 0x30;
TRISC = 0x00;
TRISD = 0x00;
PORTB = 0x02;
PORTC = 0x00;
PORTD = 0x00;
RB6_bit = 1;
Lcd_Init();
Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR);
Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF);
return;
}
void Imprime_Setpoint(){
ByteToStr(Setpoint, txt);
Lcd_Out(1,1,"SetP=");
for (j=1; j<=2; j++)
{
Lcd_Chr_Cp(txt[j]);
}
Lcd_Out_Cp("C");
return;
}
56