UNIVERSIDADE DO SUL DE SANTA CATARINA
GLAUCO SILVA LEONARDO
PEDRO DE BEM SILVA
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PARA RODOVIAS DURANTE INCIDÊNCIA DE
NEBLINA E CHUVA
Palhoça
2013
GLAUCO SILVA LEONARDO
PEDRO DE BEM SILVA
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PARA RODOVIAS DURANTE INCIDÊNCIA DE
NEBLINA E CHUVA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso
de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da
Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito
parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Profª. Sheila Santisi Travessa, M.Eng.
Palhoça
2013
Dedico este trabalho em especial a minha
esposa Rosilei, a minha mãe Eliana, as minhas
filhas Isabely e Yasmin, e toda a minha
família. (Glauco Silva Leonardo).
Dedico este trabalho a minha esposa Helen, a
minha mãe Thais, ao meu pai Pedro, ao meu
irmão Matheus e a minha família e amigos.
(Pedro de Bem Silva).
AGRADECIMENTOS
Glauco agradece:
A minha mãe Eliana que está desde o inicio nesta difícil caminhada sem fraquejar
em nenhum momento, compartilhando momentos de dificuldade e de alegria. Nós
conseguimos! Um muito obrigado e nunca esquecerei o que você fez para que este sonho
fosse realizado.
A minha esposa Rosilei que é uma grande companheira e estará sempre ao meu
lado. Amo muito você e obrigado por me ajudar a ser uma pessoa cada vez melhor.
As minhas filhas Isabely e Yasmin que nasceram durante a graduação,
principalmente a pequena Isabely, que por muitas vezes ficou acordada me aguardando chegar
da faculdade para brincar e dormir ao meu colo.
Aos meus amigos e colegas que estavam sempre presentes ao meu lado durante
todo o curso.
A professora Sheila pela orientação no trabalho de conclusão de curso.
Pedro agradece:
Especialmente a Deus por tudo.
A minha esposa Helen que sempre esteve ao meu lado com muito carinho,
atenção, amor e que sempre compreendeu as dificuldades que a graduação ocasionou. Cada
dia eu amo mais, hoje mais que ontem e menos que amanhã (Rosemonde Gérard).
A minha mãe Thais e ao pai Pedro que me possibilitaram alcançar este difícil
objetivo, com muitos ensinamentos, sabedoria, paciência e amor.
Ao meu irmão Matheus que de maneira única sempre esteve ao meu lado
compartilhando das dificuldades e felicidades.
Aos meus amigos por todos os momentos bons vivenciados durante estes anos.
A querida Mestra Sheila pela atenção e paciência na orientação de conclusão de curso.
“Ama-se mais o que se conquista com esforço.”
(Benjamin Disraeli).
RESUMO
O presente trabalho apresenta um projeto de um sistema de iluminação para rodovias durante
a incidência de neblina e chuva, pois tais condições climáticas agravavam o número de mortes
nas rodovias. Objetivou-se, portanto, verificar, projetar e implementar uma solução que
pudesse auxiliar os condutores e possivelmente diminui a taxa de mortalidade. Sobretudo os
métodos utilizados buscavam no sistema, autonomia, eficiência e baixos custos, considerando
no futuro uma viabilização comercial. Para isso foi utilizado um sistema que consiste em um
microcontrolador, que a partir de uma leitura realizada por um sensor de temperatura e
umidade, aciona um circuito de sinalização, enquanto todo o sistema é alimentado por uma
bateria carregada por painéis solares. Ao final dos resultados obtidos em simulações, o
sistema mostrou-se operante conforme proposto no projeto. Portanto, com o funcionamento,
conclui-se que devido à ausência de tal produto no mercado, e após futuros estudos, a
consolidação do projeto será tecnicamente viável.
Palavras-chave: sistema de iluminação para rodovias; neblina; chuva; autonomia; eficiência.
ABSTRACT
This work presents a system of illumination for highways during an incident of fog and rain,
since these climactic conditions increase the number of deaths on highways. Therefore, the
objective was to create and implement a solution that could assist drivers and possibly
decrease such death rates. Above all, the methods used in this project looked for
independence, efficiency, and low costs from the system, considering a possible
commercialization in the future. For this project, a system that consists of a microcontroller
was used and after a humidity and temperature reading, a circuit is signaled while the rest of
the system is fed by a battery charged by solar panels. In the end, the obtained results from
simulations showed that the system performed as proposed. Therefore, with this confirmed
functioning, we concluded that the absence of such a system in the market and after future
studies, a consolidation of this project would be technically viable.
Keywords: Illumination system for highways; fog and rain; independence; efficiency.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Baixa Visibilidade em Neblina ................................................................................. 16
Figura 2: Baixa Visibilidade em Chuva ................................................................................... 16
Figura 3: Software de Programação do Arduino ...................................................................... 23
Figura 4: Painel Fotovoltaico ................................................................................................... 24
Figura 5: Efeito Fotovoltaico .................................................................................................... 26
Figura 6: Placa Captando Energia Solar ................................................................................... 27
Figura 7: Estrutura da Célula Fotovoltaica ............................................................................... 28
Figura 8: Bateria 12V ............................................................................................................... 29
Figura 9: Pilha de Volta ............................................................................................................ 31
Figura 10: Alguns Exemplos de Componentes Eletrônicos ..................................................... 34
Figura 11: LED - Diodo Emissor de Luz ................................................................................. 35
Figura 12: Lâmpada de LED .................................................................................................... 37
Figura 13: Tabela de Código de Cores do Resistor .................................................................. 38
Figura 14: Modelo de Resistor Fixo ......................................................................................... 38
Figura 15: Sensor DHT11 ........................................................................................................ 44
Figura 16: Engavetamento de Veículos na Rodovia Imigrantes/SP ......................................... 45
Figura 17: Diagrama de Blocos do Sistema de Sinalização ..................................................... 58
LISTA DE FOTOS
Foto 1: Placa do Arduino Uno R3 ............................................................................................ 21
Foto 2: Hardware do Arduino Uno R3 ..................................................................................... 22
Foto 3: Protótipo do Sistema de Sinalização no Protoboard .................................................... 58
LISTA DE SIGLAS
A/D – Analógico / Digital
dB – Decibéis
GND – Ground ou Terra Elétrico
IDE – Ambiente de Desenvolvimento Integrado
IDII – Interaction Design Institute Ivrea
I/O – IN / OUT
LED – Diodo Emissor de Luz
LDR – Resistor Dependente da luz
MWP – Mega Watt Pico
NASA – National Aeronautics and Space Administration
NTC – Coeficiente Térmico Negativo
PTC – Coeficiente Térmico Positivo
PWM – Pulse Width Modulation
RGB – Red, Green and Blue
USB – Universal Serial Bus
VCC – Volts Corrente Contínua
VDR – Resistor Dependente de Voltagem
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................................................. 14
1.1 MOTIVAÇÃO ..............................................................................................................................16
1.2 JUSTIFICATIVA .........................................................................................................................17
1.3 OBJETIVOS .................................................................................................................................17
1.3.1 Objetivo Geral ..........................................................................................................................17
1.3.2 Objetivos Específicos ...............................................................................................................17
1.4 METODOLOGIA DA PESQUISA ..............................................................................................18
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................................18
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ............................................................................................... 20
2.1 ARDUINO ....................................................................................................................................20
2.1.1 História .....................................................................................................................................21
2.1.2 Hardware ..................................................................................................................................22
2.1.3 Software ....................................................................................................................................23
2.2 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ..................................................................................................24
2.2.1 História da Célula Fotovoltaica ..............................................................................................24
2.2.2 Efeito Fotovoltaico ...................................................................................................................26
2.2.3 Estrutura de uma Célula Fotovoltaica ...................................................................................27
2.3 PILHAS E BATERIAS ................................................................................................................28
2.3.1 Energia Química ......................................................................................................................29
2.3.2 Pilhas, Baterias e a Linguagem ...............................................................................................30
2.3.3 Linha do Tempo das Pilhas e Baterias ...................................................................................31
2.4 COMPONENTES ELETRÔNICOS .............................................................................................34
2.4.1 LED – Light Emitting Diode ...................................................................................................34
2.4.1.1 História do LED ..................................................................................................................... 35
2.4.1.2 Aplicação do LED .................................................................................................................. 36
2.4.2 Resistor .....................................................................................................................................37
2.4.3 Sensores.....................................................................................................................................39
2.4.3.1 Características dos Sensores................................................................................................... 41
2.4.3.1.1 Faixa ....................................................................................................................................41
2.4.3.1.2 Resolução .............................................................................................................................41
2.4.3.1.3 Sensibilidade ........................................................................................................................41
2.4.3.1.4 Linearidade ..........................................................................................................................42
2.4.3.1.5 Histerese ..............................................................................................................................42
2.4.3.1.6 Exatidão ou Erro .................................................................................................................42
2.4.3.1.7 Relação Sinal/Ruído.............................................................................................................43
2.4.3.1.8 Resposta em Frequência ......................................................................................................43
2.4.3.2 Sensor de Umidade e Temperatura DHT11 ........................................................................... 44
2.5 ACIDENTES PROVOCADOS POR NEBLINA E CHUVA ......................................................44
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO..................................................................................... 47
3.1 ARDUINO SOFTWARE .............................................................................................................47
3.2 ARDUINO HARDWARE ............................................................................................................47
3.3 ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA ................................................................................................48
3.4 SENSOR DHT11 PARA ARDUINO ...........................................................................................49
3.5 SINALIZAÇÃO............................................................................................................................49
3.6 CÓDIGO EM C ............................................................................................................................50
3.6.1 Inclusão de Biblioteca ..............................................................................................................50
3.6.2 Atribuição de Variável por Porta na Interface Física ..........................................................51
3.6.3 Instanciar a Biblioteca .............................................................................................................51
3.6.4 Estabelecer Função da Interface Física .................................................................................52
3.6.5 Criação da Função em Laço....................................................................................................53
3.6.5.1 Declaração das Variáveis ....................................................................................................... 53
3.6.5.2 Verificação do Estado do Sensor ........................................................................................... 53
3.6.5.3 Função Lógica ........................................................................................................................ 54
3.6.5.4 Acionamento dos LED’s ........................................................................................................ 55
3.6.5.5 Pausa Entre as Leituras .......................................................................................................... 56
3.7 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO ..............................................................................................57
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ................................................................................................ 59
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS............................................................................ 60
REFERÊNCIAS .................................................................................................................................. 62
ANEXOS .............................................................................................................................................. 63
ANEXO A – DATASHEET DO SENSOR DHT11 ARDUINO ...................................................... 64
14
1
INTRODUÇÃO
Com o crescente aumento na frota de veículos que trafegam pelas rodovias
brasileiras, aumentam as chances de acidentes, principalmente em condições climáticas
desfavoráveis. Para auxiliar nesta segurança, aproveitando os inúmeros recursos tecnológicos
atuais de circuitos eletrônicos mais eficientes e robustos, podem ser criadas sinalizações
modernas, criativas e capazes de serem autônomas, com propósito de gerar mais segurança na
sinalização para uma melhor condução dos motoristas.
Além de diversas estradas espalhadas pelo país estarem em péssimas condições,
existe outros perigos a serem considerados, e que não ocorrem apenas pelas condições das
estradas, mas sim devido à localização delas, podendo sofrer interferência do clima da região,
tornando a dirigibilidade mais perigosa.
Em estradas e rodovias que cruzam serras, por exemplo, os motoristas encontram
normalmente fenômenos climáticos que tornam as estradas mais perigosas para se dirigir, até
mesmo para os condutores experientes e que respeitam as sinalizações e normas de transito,
pois estas variações no clima ocorrem de surpresa ou mesmo em determinadas horas
dependendo do clima na ocasião.
Nos casos de formação de neblina que normalmente ocorrem em regiões de
serras, por serem mais úmidas e com maior incidência no inverno, a visibilidade dos
condutores fica muito prejudicada, aumentando a probabilidade de perigosos acidentes. Com
a visibilidade prejudicada, os motoristas normalmente perdem o traçado da estrada, saindo da
pista causando sustos ou acidentes, ou mesmo podem colidir com outros veículos e obstáculos
à sua frente, devido à baixa visibilidade.
Há também a possibilidade de chuvas em abundância, que resulta em dificuldades
na visibilidade, principalmente em certas épocas do ano onde ocorrem chuvas fortes num
pequeno período, ou mesmo por dias consecutivos, agravando as condições da condução dos
veículos, tornando perigoso o tráfego pela rodovia.
Os acidentes causados em condições de intensa neblina e chuva podem causar
danos materiais, ser de grandes proporções e até mesmo fatais, como nos inúmeros casos já
documentados no Brasil e em outros lugares pelo mundo. Existem casos de acidentes
gravíssimos envolvendo dezenas de veículos de passeio e de carga em engavetamentos
enormes, onde um primeiro veículo levado pela falta de visibilidade veio a provocar um
acidente, onde outros veículos iniciaram sucessivas colisões, mais conhecidas como
15
engavetamentos, e de acidentes provocados por baixa visibilidade da estrada em chuvas, onde
os condutores perderam o traçado da pista, saindo dela e vindo a colidir em árvores, caindo de
pontes ou barrancos.
Outros acidentes graves em neblina ocorrem quando os motoristas perdem o
traçado das curvas por não conseguirem visualizar corretamente a estrada, e colidem contra
árvores e despencam de encostas, causando inclusive a morte de muitas pessoas.
Uma vez que nossa tecnologia está muito mais avançada atualmente, se torna cada
vez mais possível o uso da mesma para criar sinalizações que possam auxiliar os motoristas a
dirigirem sob estas condições climáticas, de forma a melhor orienta-los numa condução mais
segura pelas rodovias.
A tecnologia disponível viabiliza a criação de dispositivos eletrônicos totalmente
independentes e que possam se manter em funcionamento por meses, sem necessidade de
manutenção em curto prazo, sendo totalmente autônomas, justamente para serem instaladas
em locais mais distantes e que se quer possuem iluminações públicas e que possuem maior
incidência a condições climáticas adversas aos motoristas.
Esses sistemas podem ser confeccionados e instalados em pontos estratégicos,
onde há iminência de acidentes graves quando em condições de intensa neblina e chuva,
identificando através de sensores a formação baixa umidade, que também é um fenômeno que
ocorre no aparecimento de neblina, e acionando um dispositivo capaz de iniciar um ciclo de
sinalização luminosa com lâmpadas especiais para serem vistas sob forte neblina e chuva que
indicam a presença de curvas ou obstáculos perigosos à frente.
Este sistema pode ser alimentado por baterias específicas que conseguem suportar
um bom tempo energizando todo o circuito, fornecendo inclusive corrente suficiente para
manter funcionando desde as lâmpadas até mesmo o microcontrolador, que monitora a
presença da neblina e baixa umidade e deixa o sistema operando neste período.
Da mesma forma que o sensor indica a presença da neblina e baixa umidade,
quando ela se dissipa ou se encerra, o sistema deixa de operar, ficando em stand by, deixando
apenas funcionando seu microcontrolador que fica monitorando o ambiente, e as baterias
ficam com menor consumo, podendo se carregar mais através de placas solares. Isto significa
que o carregamento das baterias é feito durante um dia inteiro para ser usado no período
noturno ou pela manhã, onde normalmente ocorre o aparecimento da neblina.
Sendo o projeto idealizado capaz de se manter em funcionamento por longos
períodos ainda trazendo benefícios ao meio ambiente, uma vez que aproveita os recursos
naturais disponíveis em abundancia para carregar suas baterias e manter-se em
16
funcionamento, além de auxiliar motoristas em situações de perigo por conta da neblina e
chuva, que diminui muito o campo de visão, conforme podem ser vistos na Figura 1 numa
estrada com forte neblina e Figura 2 com chuva intensa.
Figura 1: Baixa Visibilidade em Neblina
Fonte: Jornal Folha de São Paulo, 2013.
Figura 2: Baixa Visibilidade em Chuva
Fonte: Jornal Folha de São Paulo, 2013.
1.1
MOTIVAÇÃO
Muitos motoristas dirigem em estradas com bastante incidência de neblina e
chuva, o que reduz muito a visibilidade e aumenta consideravelmente a possibilidade de
acidentes, e criar meios capazes de auxiliar na visibilidade de pontos perigosos nestas estradas
é muito desafiador.
17
Elaborar um projeto de sinalização para estradas e rodovias que seja funcional,
seguro e viável para atender e auxiliar na sinalização e segurança de pessoas é fundamental
para um crescimento profissional e preparação para o mercado de trabalho.
1.2
JUSTIFICATIVA
A solução de sinalização eletrônica para estradas e rodovias tem o foco voltado
para a segurança de pessoas que trafegam por estradas com incidência de neblina e chuva, que
são situações que geram riscos a vida, e a sinalização eletrônica agrega mais segurança aos
usuários, tornando assim viável sua confecção e instalação em pontos críticos de rodovias.
1.3
1.3.1
OBJETIVOS
Objetivo Geral
Desenvolver um dispositivo eletrônico visando aplica-lo em sinalizações de
trânsito, em locais onde as condições climáticas são desfavoráveis.
1.3.2
Objetivos Específicos
Para aprofundar nos estudos das sinalizações eletrônicas, será apresentada uma
revisão sobre os componentes que serão utilizados no projeto, que são fundamentais para o
perfeito funcionamento do sistema. Quais sejam:
ƒ
Estudo sobre a ferramenta Arduino e sua aplicação ao projeto;
18
ƒ
Captação de energia solar com placas fotovoltaicas;
ƒ
Estudo de baterias recarregáveis;
ƒ
Circuitos eletrônicos e seus componentes.
ƒ
Informações sobre acidentes causados em decorrência de chuva e neblina.
Serão apresentados além de uma fundamentação teórica, a montagem e as
simulações do circuito protótipo, o que permitirá a confecção e aplicação do sistema na
prática.
1.4
METODOLOGIA DA PESQUISA
Trabalho de pesquisa utiliza o método dedutivo, seu objetivo de estudo foi
exploratório, que tem como objetivo principal o aprimoramento de ideias.
O procedimento técnico adotado é de pesquisa bibliográfica, com material já
elaborado, constituído principalmente de livros e artigos científicos; e experimental,
determinando um objeto de estudo e analisando suas variáveis.
A abordagem utilizada é qualitativa, e pretende avaliar os resultados de um
projeto que pode ser aplicado na prática.
1.5
ESTRUTURA DO TRABALHO
O Trabalho de Conclusão de Curso será dividido em alguns capítulos, que são
demonstrados abaixo:
Capítulo I – Introdução
Capítulo para abordar o problema encontrado na prática e propor uma solução que
possa ser usada para melhorar ou resolver o problema levantado, seus pontos fortes e sua área
de aplicação.
19
Capítulo II – Revisões Bibliográficas das Ferramentas e Componentes do Projeto
Capítulo para abordagem bibliográfica das ferramentas computacionais e de toda
eletrônica usada para chegar ao sistema de sinalização proposto.
Capítulo III – Desenvolvimento do Projeto
Capítulo que mostrará todas as etapas realizadas para o desenvolvimento do
projeto, detalhando passo a passo a confecção do software e montagem do hardware que fará
a sinalização na rodovia quando ocorrem as condições de chuva e neblina.
Capítulo IV – Simulações, Resultados e Validação da Teoria
Capítulo que aborda as simulações práticas realizadas no circuito montado,
mostrando o pleno funcionamento quando na ocorrência do surgimento de neblina no local de
instalação da sinalização, validando o projeto.
Capítulo V – Discussões e Conclusões
Capítulo que abordará todas as considerações obtidas através do funcionamento
do projeto, bem como proporá novas ideias para trabalhos futuros ou mesmo apontar falhas
que podem ser melhoradas com outros estudos.
20
2
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O projeto de construção do sistema eletrônico de sinalização para situações de
neblina utiliza uma série de componentes, além de uma ferramenta computacional que pode
ser programada para controlar e manter todo o sistema em pleno funcionamento.
A fim de entender especificamente cada componente tido como fundamental para
a aplicação, será abordado uma referência bibliográfica sobre eles, de forma a explicar sua
aplicação, função e funcionamento no projeto.
2.1
ARDUINO
O Arduino é uma placa “open-source” com um único microcontrolador,
descendente da plataforma “Wiring” também “open-source”, projetado para tornar o processo
de utilização de eletrônica em projetos multidisciplinares mais acessíveis. Segundo Smitth, o
hardware é composto por um processador AVR Atmel e suporte de entrada e saída on-board.
O software consiste em um compilador de linguagem de programação padrão e o gerenciador
de inicialização que é executado na própria placa.
O hardware do Arduino é programado usando uma linguagem baseada em Wiring
(sintaxe e bibliotecas), semelhante ao C++ com algumas simplificações e modificações, e um
processamento baseado em ambiente de desenvolvimento integrado.
As versões atuais podem ser compradas pré-montados, conforme Foto 1, e
informações de projeto de hardware estão disponíveis para aqueles que desejam montar um
Arduino por si próprio. O projeto Arduino recebeu uma menção honrosa na categoria de
Comunidades Digitais no Prix Ars Electronica em 2006.
21
Foto 1: Placa do Arduino Uno R3
Fonte: Autores, 2013.
2.1.1
História
Em 2005, em Ivrea, Itália (local sede da empresa de computadores Olivetti), um
projeto foi iniciado para criar um dispositivo para controlar outros projetos criados por
estudantes, com um menor custo de outros sistemas de prototipagem disponíveis no momento.
Segundo Site Oficial do Arduino, os fundadores Massimo Banzi e David Cuartielles deram o
nome do projeto em homenagem a Arduin de Ivrea, um personagem importante na história da
cidade. "Arduino" é também um nome masculino em Italiano, que significa "amigo corajoso".
O projeto Arduino é uma divisão da plataforma open-source Wiring. O
programador colombiano Hernando Barragán criou Wiring como uma tese de seu mestrado no
IDII – Interaction Design Institute Ivrea, sob a supervisão de Massimo Banzi e Casey Reas.
Wiring foi baseado na linguagem Processing e em seu ambiente de desenvolvimento
integrado, que tinha sido criado por Casey Reas e Ben Fry.
22
2.1.2
Hardware
Uma placa Arduino consiste de um microcontrolador de oito bits AVR Atmel com
componentes complementares para facilitar a programação e incorporação em outros
circuitos. Um aspecto importante do Arduino é a maneira padrão de como os conectores são
expostos, permitindo que a placa possa ser conectada a uma variedade de módulos adicionais
conhecidas como shields. Alguns desses shields se comunicam com a placa Arduino
diretamente através dos pinos, mas muitos escudos são endereçáveis individualmente por um
barramento serial I²C, permitindo que mais de um seja empilhado um em cima do outro e
usados em paralelo. Arduinos genuínos usam a série de chips megaAVR, especificamente o
ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 e ATmega2560. A maioria das placas
inclui um regulador de 5 Volts linear e um oscilador de cristal de 16 MHz. O
microcontrolador de um Arduino é pré-programado com um gerenciador de inicialização que
simplifica o carregamento de programas para a memória flash. Placas Arduino são
programadas via porta USB.
A placa Arduino possibilita o uso dos pinos do microcontrolador, tanto os de
entrada com os de saídas, para outros circuitos. O Diecimila, Duemilanove, e o UNO
(modelos do Arduino apresentado na Foto 2) atuais oferecem 14 entradas e saídas digitais,
seis dos quais podem produzir sinais PWM, e outras seis entradas analógicas. Estes pinos
estão no topo da placa, através de conectores fêmeas de 0,1 polegadas.
Foto 2: Hardware do Arduino Uno R3
Fonte: Autores, 2013.
23
2.1.3
Software
O IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado) do Arduino é uma aplicação
multi-plataforma feito em Java, e é derivado do IDE para a linguagem de programação de
processamento Wiring. Ele é projetado para introduzir a programação a novatos que não estão
familiarizados com desenvolvimento de software, conforme visto na Figura 3. Ele inclui um
editor de código com recursos como destaque de sintaxe, brace matching, e recuo automático,
e também é capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique.
Figura 3: Software de Programação do Arduino
Fonte: Autores, 2013.
O IDE do Arduino vem com uma biblioteca de C/C++ chamada "Wiring", o que
facilita nas execuções de operações de entradas e saídas. Seus programas são escritos em
C/C++, embora os usuários só precisem definir duas funções para fazer um programa
executável:
Setup () – uma função que é executada no início para inicializar as configurações.
Loop () – uma função chamada repetidamente logo após o setup (), e a mesma
permanece executando até o Arduino ser desligado.
24
2.2
CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
As células fotovoltaicas, ou painéis solares como são comumente conhecidas, são
placas de materiais semicondutores dopados com algum tipo de elemento para melhorar sua
condutividade, e montadas em forma de um painel, permitindo que toda luz incidente sobre a
placa seja convertida em corrente elétrica, conforme apresentado na Figura 4.
Figura 4: Painel Fotovoltaico
Fonte: Infoescola, 2013.
2.2.1
História da Célula Fotovoltaica
A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito
fotovoltaico observado por Edmond Bequerel em 1839. Foi observada uma diferença de
potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre
ela. Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956 foram construídas as
primeiras células fotovoltaicas industriais.
Segundo Cometta, o elevado custo na sua fabricação na época inviabilizava sua
utilização prática a não ser em aplicações especiais, como sistema autônomo de fornecimento
de energia elétrica para satélites. Neste caso o custo não era um fator limitante e as
características de confiabilidade e de baixo peso, tornaram as células fotovoltaicas à maneira
mais conveniente e segura de gerar eletricidade no espaço.
25
Em estações remotas de telecomunicações foram empregadas células fotovoltaicas
para o fornecimento de energia elétrica, devido à comprovação das suas características e
desempenho no espaço.
Outro agente impulsionador das pesquisas dessa tecnologia para aplicações
diversas, inclusive para complementação do sistema elétrico existente, foi à crise do petróleo
em 1973. A energia solar passou a atrair o interesse do governo, com a possibilidade real do
esgotamento das reservas petrolíferas.
Mas o custo de produção das células era um fator preocupante em relação à
quantidade de energia produzida por ela. Era preciso reduzir o custo significativamente. Por
isso o desenvolvimento do mercado foi muito lento. Mas em 1978 a produção já chegava a 1
Mwp/ano (Mega Watt Pico - condição de máxima potência). Com o aumento da escala de
produção e a pesquisa de tecnologia em materiais usados na fabricação das células o custo e o
preço começaram a diminuir. Após quinze anos a produção já alcançava 60 Mwp/ano.
Na década de 90 marca o desenvolvimento acelerado da indústria fotovoltaica.
Visando ampliar os horizontes para utilização em massa da energia solar como opção
energética, inúmeros programas mundiais foram lançados para a demonstração da viabilidade
técnica-comercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural nos países
em desenvolvimento.
Passada a crise do petróleo, muitas empresas petrolíferas deixaram o ramo do
desenvolvimento de novas células. Mas outros fatores continuaram impulsionando a indústria:
o fortalecimento do movimento de defesa do meio ambiente e o desenvolvimento do grande
mercado da eletrificação rural principalmente nos países subdesenvolvidos. A produção
mundial em 1998 era prevista em torno de 100 Mwp.
Para Acioli, hoje um dos maiores desafios que o setor enfrenta é a redução de
custos dos sistemas fotovoltaicos. Com as novas tecnologias em desenvolvimento,
principalmente a dos filmes finos, poderão provocar reduções significativas nos custos dos
módulos fotovoltaicos. O desenvolvimento de modelos autossustentados de eletrificação rural
com sistemas fotovoltaicos é o maior desafio. O baixo nível cultural e econômico da maior
parte das populações limita o desenvolvimento do mercado.
Estimativas levam a crer que cerca de 30% da população mundial, algo como dois
bilhões de pessoas, ainda viva em condições dependentes do carvão ou biomassa tradicional
para cozinhar alimentos e usando velas, pilhas, querosene e diesel para geração de
eletricidade.
26
A energia solar fotovoltaica tem como “vocação” a utilização em pequenas
instalações (pequenas cargas) que a torna econômica, eficiente e segura. O Brasil dispõe de
um dos maiores potenciais do mundo para o aproveitamento de energias renováveis
principalmente a energia solar, e além de ecologicamente correto, é uma fonte inesgotável de
energia.
2.2.2
Efeito Fotovoltaico
Células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material
com características intermédias entre um condutor e um isolante.
O silício se apresenta normalmente como areia. Através de métodos adequados
obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e,
portanto é mau condutor elétrico. Para alterar isto se acrescentam porcentagens de outros
elementos. Este processo denomina-se dopagem. A dopagem do silício com o fósforo obtémse um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo
N).
Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado Boro ao invés de Fósforo,
obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com
cargas positivas livres (silício tipo P).
Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior
espessura de material tipo P. Sua estrutura é apresentada na Figura 5.
Figura 5: Efeito Fotovoltaico
Fonte: Hemus,1978
27
Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas,
na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que
ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os
fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e
transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os
elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”.
Por meio de um condutor externo, ligando a camada negativa à positiva, gera-se
um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto a luz incidir na célula, manter-se-á este
fluxo.
A intensidade da corrente elétrica gerada variará na mesma proporção conforme a
intensidade da luz incidente.
Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo
de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela.
Este fenômeno é denominado “Efeito fotovoltaico”, mostrado pela Figura 6.
Figura 6: Placa Captando Energia Solar
Fonte: Hemus,1978.
2.2.3
Estrutura de uma Célula Fotovoltaica
Ao contrário da maioria dos outros semicondutores, o dispositivo fotovoltaico não
usa a estrutura normal do silício, como nos diodos, ao invés disso usa uma fina camada de
28
óxido transparente. Segundo Cometta, estes óxidos são altamente transparentes e tem alta
condutividade elétrica. Camadas antirreflexos podem ser usadas para cobrir uma célula
fotovoltaica. Os cristais policristalinos são grãos minúsculos de material semicondutor. As
propriedades dos filmes policristalinos são diferentes do silício normal. Ele provou ser melhor
para criar um campo elétrico entre dois materiais semicondutores diferentes, e a Figura 7
apresenta sua estrutura de montagem.
Figura 7: Estrutura da Célula Fotovoltaica
Fonte: Hemus,1978.
2.3
PILHAS E BATERIAS
Vamos acompanhar um dia comum de uma adolescente estudante. O dia começa,
o despertador toca. O jovem se arruma e vai para a escola ouvindo seu MP3. O motorista dá a
partida no ônibus, levando o adolescente a escola. No caminho, observa seu relógio digital.
Quando chega ao seu destino, observa um computador e confere a hora dele com a de seu
relógio. Na saída da escola, seu celular toca, seu pai veio buscá-lo de carro. Na volta para
casa, uma boa conversa ao som do rádio do carro.
O que há em comum entre os dispositivos presentes no dia do adolescente? Qual a
fonte de energia do despertador, do MP3, do motor de arranque do ônibus, do relógio digital,
do computador, do celular, do rádio do carro?
As pilhas e baterias fazem parte do nosso dia-a-dia, convivemos com elas. Nesse
texto, iremos entrar um pouco no mundo da química que fornece energia para as pilhas e
29
baterias alimentarem nossos dispositivos. Vamos, ainda, viajar pela história e ver como
grandes nomes da ciência construíram, em conjunto e ao longo do tempo, as teorias e os
experimentos que serviram de base para toda a tecnologia das pilhas e baterias que temos
hoje, em diversos modelos e tipos de encapsulamento, onde a Figura 8 apresentado um
modelo.
Figura 8: Bateria 12V
Fonte: Autores, 2013.
2.3.1
Energia Química
Com certeza, muitas pessoas já se perguntaram: como pode uma pilha gerar
energia elétrica? A pilha é um depósito de energia elétrica?
Na verdade, segundo Atkins, pilha ou bateria é um sistema que, através de um
fenômeno químico, realiza a transformação de energia química em energia elétrica, isto é,
realiza uma reação química de oxidação-redução (oxirredução), na qual ocorre a
movimentação de elétrons por um circuito elétrico externo.
Portanto, antes de tratarmos das pilhas e baterias, precisamos introduzir dois
conceitos. O primeiro é o conceito de energia química, e o segundo, de reação de oxirredução.
Uma bateria, que é na verdade uma célula elétrica, é um componente que produz
eletricidade a partir de uma reação química. Uma bateria consiste estritamente de uma ou
mais células conectadas em série ou paralelo, mas o termo é geralmente usado para uma única
célula. Uma célula consiste de um eletrodo negativo, um eletrólito, que conduz os íons; um
separador, também condutor de íons; e um eletrodo positivo.
Podemos entender o conceito de energia química como a energia potencial
resultante da configuração estrutural dos átomos ou moléculas, ou seja, a energia que está
30
armazenada nos átomos ou nas moléculas e que é modificada quando acontece uma reação
química. Como consequência desse conceito, podemos estabelecer que ao modificarmos a
configuração estrutural das substâncias químicas teremos uma alteração no conteúdo
energético das novas substâncias formadas.
Importante ressaltar que a energia química pode ser transformada em diversos
outros tipos de energia: térmica, luminosa e elétrica.
Para nossa abordagem, vamos focar na transformação da energia química em
energia elétrica. Portanto, devemos considerar que pilhas e baterias são dispositivos com
capacidade de armazenar energia química, que será transformada em energia elétrica.
A pergunta que nos ocorre agora é: como é realizada essa transformação de
energia química em energia elétrica? Para responder a essa pergunta devemos recorrer ao
segundo conceito, que trata de reação de oxirredução.
As reações de oxirredução estão presentes em toda parte: quando você respira,
quando as plantas realizam fotossíntese, quando uma chama queima, quando um metal
enferruja e em muitas outras situações. As reações de oxirredução englobam uma classe de
reações químicas nas quais ocorre transferência de elétrons de uma espécie para a outra.
Assim, em uma reação de oxirredução sempre ocorre perda de elétrons por uma espécie e,
simultaneamente, ganho de elétrons por outra. É um fluxo de elétrons. Uma corrente elétrica!
Nos processos de respiração, combustão, corrosão e outros, essa corrente elétrica flui
internamente. Ao contrário, nas pilhas e baterias é criado um caminho externo para a
passagem da corrente elétrica no qual podemos conectar, por exemplo, aparelhos
eletroeletrônicos.
Os fenômenos envolvidos são identificados da seguinte forma: a espécie que
perde elétrons sofre oxidação e aquela que ganha elétrons sofre redução.
2.3.2
Pilhas, Baterias e a Linguagem
A origem da palavra bateria é anterior à invenção da pilha de Volta. Quem
introduziu o termo nos estudos de eletricidade foi Benjamin Franklin, em 1748, referindo-se a
uma série de capacitores conectados formando uma bateria (no sentido de conjunto).
31
O termo bateria foi extrapolado para a eletroquímica e é usado hoje para
identificar células voltaicas interconectadas, como a bateria de automóvel e a bateria de 9V.
O termo pilha, segundo Moore, é normalmente usado para dispositivos que
contenham apenas uma célula voltaica como, por exemplo, as pilhas secas.
As pilhas e baterias são classificadas em primárias e secundárias. As primárias são
aquelas que não podem ser recarregadas, como as pilhas “comuns” e alcalinas. Já as
secundárias são as que podem ser recarregadas, por exemplo, as baterias de carro e de celular.
2.3.3
Linha do Tempo das Pilhas e Baterias
As pilhas e baterias foram sendo desenvolvidas ao longo do tempo com a
contribuição de diversos cientistas. Somente a partir da descoberta de Volta, de que dois
metais diferentes ligados eletricamente por uma solução eletrolítica serviam como fonte de
tensão, que se começou a buscar pelos melhores eletrodos que tornavam as pilhas e baterias
mais eficientes e práticas.
A pilha de Alessandro Volta (1800) consiste em metais de dois tipos separados
por panos umedecidos em sal ou ácido fraco. Os discos de metal ficavam empilhados, por isso
o nome pilha. Os primeiros metais usados por Volta foram à prata e o zinco.
A voltagem fornecida pela pilha de Volta, conforme Figura 9, depende do número
de elementos na pilha.
Figura 9: Pilha de Volta
Fonte: Wikimedia Commons, 2013.
32
A pilha de Daniell (John Frederic Daniell – 1836), representou um grande avanço
tecnológico para a época, em relação à pilha de Volta. Ela foi desenvolvida por Daniell
baseada nos princípios científicos da Eletroquímica introduzidos por Michael Faraday.
Daniell descobriu que a pilha seria mais eficiente se fossem usados dois eletrólitos ao invés de
um só, como na pilha de Volta. Em geral, os eletrodos são compostos por um metal imerso
em uma solução de seus próprios íons. A pilha de Daniell (de zinco e cobre) fornece uma
voltagem de aproximadamente 1,1V.
A pilha de Grove (William Robert Grove, 1839) competia com a de Daniell na
telegrafia. Os eletrodos escolhidos por Grove, zinco em ácido sulfúrico e platina em ácido
nítrico, faziam com que a pilha fornecesse uma voltagem de 1,9V (maior do que a de Daniell).
Entretanto, um dos produtos da reação química que acontece durante o
funcionamento da pilha de Grove é o dióxido de nitrogênio gasoso (NO2), nocivo à saúde.
Além disso, a voltagem caía sensivelmente à medida que a pilha descarregava.
No mesmo ano em que inventou a sua pilha de zinco e platina, William Grove
desenvolve a primeira célula de combustível que é considerada hoje por muitos a fonte de
energia do futuro. Nas pilhas comuns, quando os reagentes terminam, a pilha para de
funcionar.
Nas células de combustível, os reagentes são fornecidos à pilha como se fossem
os “combustíveis” da reação (em analogia aos combustíveis dos automóveis, só que, nesse
caso, não ocorre reação de combustão). Enquanto houver combustível, haverá energia. A
célula de combustível de Grove utiliza o hidrogênio e o oxigênio como combustível e o
produto da reação é água (H2O). A célula de Grove não fornece voltagem suficiente para
utilização prática.
Em 1859, Gaston Planté criou a Bateria de chumbo-ácido. Foi a primeira bateria
recarregável da história. Seu uso inicial foi em sinalizações ferroviárias, e hoje é largamente
usado em automóveis. Essa bateria utiliza o chumbo (Pb) e dióxido de chumbo (PbSO4)
imersos em uma solução de ácido sulfúrico (H2SO4). Repare que uma substância composta é
usada em um dos eletrodos. Cada célula da bateria gera 2V.
A pilha Leclanché (Georges Leclanché, 1866), utiliza o zinco (Zn) e dióxido de
manganês (MnO2). A voltagem em seus terminais varia de 1,4 a 1,6 volts.
Ela foi a precursora da pilha seca desenvolvida por Carl Gassner, em 1887. A
pilha seca é a nossa atual pilha comum e possui esse nome porque não utiliza eletrólito
líquido. Se você já viu uma pilha por dentro, notou que ela possui uma gosma preta. Nela
33
está, entre outras substâncias, o dióxido de manganês. As pilhas secas comuns fornecem uma
voltagem de 1,5V.
A pilha de níquel cádmio, de Waldmar Jungner em 1899, foi à primeira pilha
alcalina da História. Jungner utilizou um meio alcalino (hidróxido de potássio - KOH) no qual
ficavam os eletrodos constituídos de níquel e cádmio. A pilha de Jungner é à base das
primeiras pilhas recarregáveis portáteis. Hoje são mais comuns pilhas semelhantes de níquelmetal (NiMH), que possuem maior capacidade e são menos tóxicas. Essas pilhas fornecem
uma voltagem de 1,2V.
Em 1955, a empresa Eveready desenvolveu as pilhas alcalinas não recarregáveis
que utilizamos até hoje.
Nas décadas de 1970 e 1990, nasceram as pilhas de lítio e íons de lítio. As
primeiras pesquisas utilizando metal lítio nos eletrodos de pilhas foram realizadas em 1912
por G.N. Lewis. Entretanto, somente em 1970 elas foram comercializadas. As pilhas de lítio
(não recarregáveis) são largamente utilizadas em relógios, computadores e outros
dispositivos. A voltagem típica dessa pilha é de 3V, o dobro das pilhas secas comuns.
As células de combustível modernas (bateria do futuro) fornecem energia elétrica
suficiente para várias aplicações. Já existem hoje protótipos de automóveis alimentados por
elas e a NASA as usa em suas naves espaciais. Apesar de ser tecnicamente possível o uso de
outros “combustíveis”, o mais largamente usado é o hidrogênio e o oxigênio, por produzirem
como resíduo a água - inofensiva para o meio ambiente. Em seu ciclo de funcionamento, o
hidrogênio gasoso (normalmente fornecido através de um tanque) entra na célula e é ionizado
com auxílio de um catalisador. O íon hidrogênio segue seu caminho por dentro da célula,
enquanto seu elétron é conduzido ao circuito externo, produzindo corrente elétrica. Após
circular pelo circuito externo, os elétrons retornam à célula e, juntamente com o oxigênio
gasoso (normalmente obtido do ar), formam água.
Os ambientalistas questionam a eficiência ecológica de um uso maciço de células
de combustível a hidrogênio já que, para a produção do hidrogênio gás, é consumida uma
energia que provavelmente virá de fontes não limpas.
34
2.4
COMPONENTES ELETRÔNICOS
Numa definição mais abrangente para Diaz, eletrônica é o ramo da ciência que
estuda o uso de circuitos formados por componentes elétricos e eletrônicos, com o objetivo
principal de representar, armazenar, transmitir ou processar informações além do controle de
processos e servomecanismos. Sob esta ótica, também se pode afirmar que os circuitos
internos dos computadores (que armazenam e processam informações), os sistemas de
telecomunicações (que transmitem informações), os diversos tipos de sensores e transdutores
(que representam grandezas físicas - informações - sob forma de sinais elétricos) estão, todos,
dentro da área de interesse da Eletrônica.
Baseado nesta definição, os mais variados tipos e modelos de componentes
eletrônicos a disposição no mercado, onde exemplos são apresentados na Figura 10, são
usados por projetistas na elaboração de circuitos eletrônicos, que permitem obter os resultados
esperados conforme projeto.
Figura 10: Alguns Exemplos de Componentes Eletrônicos
Fonte: Autores, 2013.
2.4.1
LED – Light Emitting Diode
O LED (que significa “Light Emitting Diode” – diodo emissor de luz) é um
semicondutor que quando submetido à energia elétrica, emite radiação sob a forma de luz,
muito usado em inúmeros equipamentos eletrônicos atuais. Hoje, o LED é muito aplicado em
automóveis, destacando o veículo e proporcionando melhor luminosidade com baixo
35
consumo de energia, sendo uma das formas mais comuns de encapsulamento apresentada na
Figura 11. Também é utilizado em Painéis de Led. Estes aparelhos são aplicados para
cenografia, shows, feiras e eventos, exibição de propagandas (principalmente por meio de
Painel de Led Outdoor), estúdios de TV, e muitas outras ocasiões.
Figura 11: LED - Diodo Emissor de Luz
Fonte: Wikipédia, 2013.
2.4.1.1 História do LED
O Led é propriamente dito um Diodo Emissor de Luz, uma espécie de
componente eletrônico semicondutor que tem a capacidade de transformar energia elétrica em
luz. Já as lâmpadas comuns utilizam radiação ultravioleta com descarga de gases, como no
caso das lâmpadas fluorescentes, ou filamentos metálicos, aplicados em lâmpadas
incandescentes.
O princípio LED, segundo Rashid, não foi uma invenção recente, e foi
desenvolvido ainda que em fase experimental e rudimentar no ano de 1963 por Nick
Holonyac. Seu funcionamento era apenas pela luz vermelha e com baixa luminosidade. Em
1960 obteve o LED amarelo e apenas em 1975 que surgiu a luz verde. Isso representa que o
LED de hoje é muito mais avançado, mas a descoberta de Holonyac foi o processo inicial
para a invenção da tecnologia LED.
Mas foi no início dos anos 90 que houve a verdadeira revolução do LED e a
possibilidade de aplicá-lo no setor automotivo, por exemplo. Com o surgimento da tecnologia
INGan, foi possível obter-se LED’s com comprimento de ondas menores, nas cores azul,
36
verde e ciano, tecnologia esta que propiciou a obtenção do LED branco, e consequentemente,
todos os espectros de cores.
Mas foi com o surgimento da tecnologia Luxeon que foi possível ter fluxo
luminoso de 30 lumens e com um ângulo de emissão de 110 graus, e não mais as antigas
ondas de intensidades, conseguindo assim maior rendimento e avanço tecnológico no assunto.
2.4.1.2 Aplicação do LED
Por muitos anos a tecnologia LED foi utilizada como sinais de indicação de
estado para aparelhos eletrônicos, como rádio, televisão e outros aparelhos. É a típica luz
vermelha que indica quando o aparelho se encontra ligado ou desligado.
Hoje, o LED é muito aplicado em automóveis, destacando o veículo e
proporcionando melhor luminosidade com baixo consumo de energia. Também é utilizado em
Painéis de Led. Estes aparelhos são aplicados para cenografia, shows, feiras e eventos,
exibição de propagandas (principalmente por meio de Painel de Led Outdoor), estúdios de
TV, e muitas outras ocasiões.
O Painel de Led é formado por placas compostas por pequenas lâmpadas de luzes
RGB (Red, Green, Blue), em português correspondem às cores vermelha, verde e azul,
formando assim os pixels, responsáveis pela composição das imagens.
Além do Painel de Led, essa tecnologia está sendo aproveitada até em semáforos e
postes de rua devido a sua alta luminosidade, destaque de ambientes e baixo consumo de
energia.
Sua utilização em diversas áreas é resultado de sua eficiência e economia. Uma
lâmpada LED, conforme modelo comum de mercado apresentada na Figura 12, possui vida
útil variável entre 50 a 100 mil horas, e devido a sua longa vida útil, os custos por manutenção
também são reduzidos. Além disso, é mais resistente a impactos, porque não utiliza
filamentos metálicos ou compostos gasosos. Mesmo sem uso de filtros, as lâmpadas de LED
emitem ondas monocromáticas em comprimentos ideais, proporcionando cores mais saturadas
e vivas, e para o meio ambiente, o LED é melhor que qualquer outra solução, pois não possui
mercúrio ou qualquer outro tipo de metal pesado que prejudique diretamente o meio
ambiente.
37
Figura 12: Lâmpada de LED
Fonte: Autores, 2013.
2.4.2
Resistor
Os resistores são componentes básicos usados nos circuitos elétricos e eletrônicos
para controlar a intensidade de corrente que passa pelos diversos componentes bem com
controlar a tensão aplicada em cada parte do circuito.
O funcionamento dos resistores está baseado na resistência elétrica que todos os
materiais, com exceção dos supercondutores, possuem de dificultarem a passagem da corrente
elétrica. Segundo Villaça e Rangel, quando um resistor é percorrido por uma corrente elétrica,
ele tende a aquecer por causa do efeito Joule. A potência dissipada pelo resistor é igual ao
produto da intensidade da corrente pela tensão aplicada no resistor, portanto, resistores de
baixa resistência permitem a passagem de correntes grandes e, portanto, são eles quem mais
dissipam calor. Para evitar o aquecimento excessivo dos resistores eles devem ter tamanhos os
apropriados, quanto maior o resistor, mais superfície exposta ele possui, isso significa que ele
pode irradiar melhor o calor para o meio ambiente. Existem resistores pirolíticos de diferentes
tamanhos, 1W, ½W, ¼W, conforme a aplicação que terão. A identificação do valor de
resistência dos resistores é feita por um código de 4 ou mais faixas de cores, onde sua tabela
de identificação de valor e especificações de potência e tolerância é apresentada na Figura 13.
Para resistores de até 4 faixas, as duas primeiras faixas informam uma medida de resistência,
a terceira faixa informa a potência de dez que multiplica esta medida.
38
Figura 13: Tabela de Código de Cores do Resistor
Fonte: Wikipédia, 2013.
Quanto aos processos de fabricação os resistores podem ser classificados em
resistores de película de carvão, resistores bobinados e resistores de fita metálica. Alguns
modelos são apresentados na Figura 14.
Figura 14: Modelo de Resistor Fixo
Fonte: Eletrônica Didática, 2013.
Existe um grupo especial de resistores que são muito sensíveis a fatores externos,
são os resistores termo sensíveis NTC (Coeficiente térmico negativo) e PTC (Coeficiente
39
térmico positivo), os resistores sensíveis à tensão, VDR (resistor dependente de voltagem) e
os resistores sensíveis à luz, LDR (Resistor dependente da luz).
Os resistores fazem parte de um circuito elétrico e incorporados dentro de
dispositivos microeletrônicos ou semicondutores. A medição crítica de um resistor é a
resistência, que serve como relação de voltagem para corrente é medida em Ohms, uma
unidade SI. Um componente tem uma resistência de 1 ohm se uma voltagem de 1 volt no
componente fazer com que percorra, pelo mesmo, uma corrente de 1 Ampère, o que é
equivalente à circulação de 1 coulomb de carga elétrica, aproximadamente 6.241506 x 1018
elétrons por segundo. Qualquer objeto físico, de qualquer material é um tipo de resistor. A
maioria dos metais são materiais condutores, e opõe baixa resistência ao fluxo de corrente
elétrica. O corpo humano, um pedaço de plástico, ou mesmo o vácuo têm uma resistência que
pode ser mensurada.
Materiais que possuem resistência muito alta são chamados isolantes ou
isoladores. A relação entre tensão, corrente e resistência, através de um objeto é dada por uma
simples equação, Lei de Ohm (V=R.I), Onde V é a tensão em Volts, I é a corrente que circula
através de um objeto em Ampères, e R é a resistência em Ohms. Se V e I tiverem uma relação
linear, isto é, R é constante, ao longo de uma gama de valores, o material do objeto é chamado
de Ôhmico.
2.4.3
Sensores
Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a
um estímulo ou um sinal. Porém, os sensores são aqueles que respondem com sinal elétrico a
um estímulo ou um sinal. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de
energia em outra não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é
composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal
elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor
elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de
analógico para digital, um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne
legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na
medicina, indústria e robótica.
40
Como o sinal é uma forma de energia, para Diaz, os sensores podem ser
classificados de acordo com o tipo de energia que detectam.
O sensor é apenas a parte sensitiva de um transdutor (que é um sistema completo
que produz um sinal elétrico de saída que representa a grandeza física sendo medida), que se
completa em muitos casos com um circuito eletrônico para a geração desse sinal elétrico que
depende do nível de energia da grandeza física que afeta o dispositivo sensitivo.
Existem grandezas físicas que podem tomar qualquer valor ao longo do tempo:
são as chamadas grandezas físicas analógicas, por exemplo, pressão, temperatura, umidade,
vazão, força, ângulo, velocidade, luminosidade, altitude, torque, entre muitas outras. Porém,
embora estritamente falando não se trate propriamente de grandezas físicas, existem outras
variáveis ou características num sistema que, ao longo do tempo, só podem tomar dois valores
possíveis, os quais são denominados arbitrariamente como 0 e 1, essas variáveis são
chamadas de grandezas físicas digitais.
Os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída.
Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse
sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do
tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.
Se o sensor for analógico e o controlador destinado a receber esses sinais for
digital, será necessária a presença de um conversor A/D. Se o sensor for digital é possível
entregar o sinal diretamente ou através de um circuito condicionador, numa interface de
entrada digital.
Observa-se que não foi definido sensor analógico como aquele que mede
grandezas físicas analógicas, e nem o sensor digital como aquele que mede grandezas físicas
digitais. É possível medir grandezas físicas analógicas com sensores digitais.
41
2.4.3.1 Características dos Sensores
2.4.3.1.1 Faixa
Define-se como faixa ou range (do inglês) a todos os níveis de amplitude da
grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão
especificada. Assim, por exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60
mmHg até 300 mmHg.
2.4.3.1.2 Resolução
Define-se como resolução o menor incremento da grandeza física medida que
provoca uma mudança no sinal de saída do sensor. Por exemplo, no caso dos sensores
digitais, a resolução vai estar dada pelo menor incremento na grandeza física medida que
provoca uma mudança de um bit na leitura de saída do sensor digital.
2.4.3.1.3 Sensibilidade
A sensibilidade é a transferência do sensor, quer dizer, a relação entre o sinal
elétrico entregue na saída e a grandeza física medida. Por exemplo, um sensor de pressão
poderia ter uma sensibilidade de 3 mV/mmHg, o qual significa que por cada mmHg que mude
a pressão medida, o sinal elétrico entregue na saída mudará 3 mV.
42
2.4.3.1.4 Linearidade
Dado um determinado sensor, para variações iguais da grandeza física medida
obtém-se variações iguais do sinal entregue, então se define o sensor como linear, caso
contrário, se define como não linear.
Evidentemente, o caso ideal é que o sensor seja linear, mas, caso o sensor seja não
linear, uma forma de determinar quão grave é essa não linearidade é medir o máximo erro do
sinal de saída dividido pela faixa de valores possíveis. Essa relação pode ser expressa em
termos percentuais e define-se como linearidade.
2.4.3.1.5 Histerese
O fenômeno da histerese pode ser explicado da seguinte maneira: se o estímulo de
entrada, que excita o sensor, crescer até um determinado valor u1, o sensor entregará um
determinado sinal de saída y1. Mas se o estímulo começar num valor mais elevado e
decrescer até o mesmo valor anterior u1, o sinal fornecido poderá ter um valor y2, diferente
daquele entregue anteriormente, y1. Nesse caso, se diz que há uma histerese.
Por exemplo, se o sensor tiver um dispositivo sensitivo magnético, o qual já tem
uma histerese magnética. Outro exemplo poderia ser o caso de sensores que tiverem
engrenagens com folga entre os dentes ou backlash. Também pode se dar em circuitos de
controle com dispositivo sensitivo, ou em circuitos condicionadores de sinal composto por
Smith-trigger.
2.4.3.1.6 Exatidão ou Erro
Dada uma determinada grandeza física a ser medida, exatidão é a diferença
absoluta entre o valor real do sinal de saída entregue pelo sensor e o sinal ideal que este
43
deveria fornecer para esse valor da grandeza física. Este erro poderia se representar em termos
percentuais dividindo essa diferença pela faixa.
2.4.3.1.7 Relação Sinal/Ruído
É a relação entre a potência de um sinal qualquer entregue na saída do
instrumento e a potência do sinal do ruído, medida como o sinal de saída com informação de
nula. Isto é, se a amplitude da grandeza física medida for igual a zero, e o sensor entregar um
sinal de uma amplitude determinada, esse sinal é considerado como ruído. Esta relação pode
ser expressa também em termos percentuais ou em dB (Decibéis).
2.4.3.1.8 Resposta em Frequência
Sistema eletrônico que manuseia sinais elétricos tem suas limitações em
frequência, isto é, sinais em determinadas frequências são reproduzidos e em outras não. Se a
grandeza física medida variar sua amplitude com uma determinada frequência, é possível que
o sinal elétrico entregue pelo sensor reproduza essas mudanças com a amplitude adequada,
mas se a frequência dessas mudanças na grandeza física aumentar, é possível que o sinal de
saída entregue pelo sensor diminua sua amplitude em função da frequência dessas mudanças.
Define-se a resposta em frequência de um sensor como a faixa do espectro que este consegue
reproduzir.
Pela teoria de bode, define-se a faixa de passagem, ou largura da faixa, como o
intervalo de frequências em que, para uma determinada amplitude de entrada, a potência do
menor sinal de saída é maior ou igual à metade da potência do maior sinal.
44
2.4.3.2 Sensor de Umidade e Temperatura DHT11
O sensor DHT11 é um sensor de temperatura e umidade específico para a
ferramenta Arduino, que permite medir temperaturas de 0 a 50º Celsius, e umidade na faixa
de 20 a 90 %.
Não é um sensor extremamente rápido e preciso, por isso não é recomendada a
utilização em ambientes de alto risco. Sua faixa de precisão para temperatura é de 2 graus, e
de umidade, 5%. Seu modelo é apresentado conforme Figura 15.
Figura 15: Sensor DHT11
Fonte: Arduino & Cia, 2013.
Por se tratar de um modelo de sensor para Arduino, não basta sua conexão física a
ferramenta para ser reconhecido quando usado a linguagem C para programação. Na
programação do código fonte, é necessário declarar uma biblioteca específica, que possui as
rotinas padronizadas da linguagem de programação, e contem operações comuns como
tratamento de entrada/saída e cadeia de caracteres, usadas pelo sensor para se comunicar com
a placa.
2.5
ACIDENTES PROVOCADOS POR NEBLINA E CHUVA
A neblina e a chuva são problemas grave à segurança das pessoas que trafegam
pelas rodovias durante sua incidência. Afeta diretamente a visibilidade dos condutores, que
muitas vezes se atrapalham e ocasionam colisões, traseiras e frontais. Esse tipo de acidente
45
costuma acontecer com mais frequência em determinadas épocas do ano, como inverno onde
as temperaturas são mais baixas, e em diversos pontos de uma rodovia, aumentando
significativamente as estatísticas de acidentes quando ocorrem.
Estatísticas mostram que em dias ou semanas de maior incidência de neblina, a
quantidade de acidentes provocados pela baixa visibilidade aumenta significativamente, que
normalmente são engavetamentos envolvendo dois ou mais veículos. Mesmo que ocorram em
geral poucas mortes nestes acidentes, a quantidade de pessoas feridas é muito grande, e
algumas vezes lesões graves e irreversíveis.
A Polícia Rodoviária Federal relata que muitos dos acidentes causados em
condições adversas também são resultados de imprudência, onde condutores se arriscam ou
confiam demais nas condições da pista ou de seu veículo, ignorando as condições do tempo.
Quando isso ocorre, aumentam as chances de início de acidentes graves.
Em lugares de maior incidência destes fenômenos causados por baixa na
temperatura, como neblina ou nevoeiro, são realizados operações por parte da polícia local em
Federal, em busca de prevenção aos acidentes.
O maior engavetamento ocorrido no Brasil ocorreu na rodovia dos Imigrantes,
São Paulo, ocorrido no ano de 2011. O acidente ocorreu em decorrência da forte neblina na
localidade, por volta das 13 horas da tarde. A visibilidade estava muito comprometida pela
forte neblina e diversos caminhões, carros e até motos se envolveram num
megaengavetamento envolvendo cerca de 300 veículos, conforme visto na Figura 16. Neste
acidente uma pessoa perdeu a vida e mais de 50 ficaram feridas. Pelo menos 220 veículos
tiveram danos graves, e apenas 80 tiveram pequenos danos ou arranhões em decorrência do
acidente.
Figura 16: Engavetamento de Veículos na Rodovia Imigrantes/SP
Fonte: Jornal Folha de São Paulo, 2011.
46
Outros acidentes também causados por neblina ocorreram no Brasil, alguns com
grandes proporções e outros nem tanto. Porém, estes acidentes causam mortes, lesões sérias
em pessoas, danos materiais e outros problemas. Quando ocorrem em rodovias, interditam
acessos, trazem a necessidade de deslocamento de grande efetivo de socorristas, entre outros
aspectos negativos. Independente do número de baixas serem pequenos, sempre há perdas de
vidas, e são acidentes que ocorrem com frequência, relatados em muitos meios de
comunicação no Brasil.
47
3
DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Para alcançar a totalidade da construção do modelo protótipo em pequena escala,
foi necessário conhecer a interface lógica e o hardware do microcontrolador Arduino,
juntamente com um dos inúmeros acessórios desta ferramenta, o sensor de umidade e
temperatura DHT11. Para fornecer energia a todo sistema e mantê-lo carregado foi necessário
escolher um tipo de bateria e estabelecer um painel fotovoltaico capaz de carregá-lo, e
posteriormente elaborar o circuito da iluminação composto por LED’s para a sinalização,
controlado pelo Arduino. Por fim, programar o código em C responsável pelo monitoramento
e a lógica da execução, mantendo em pleno funcionamento todo o projeto.
3.1
ARDUINO SOFTWARE
O Arduino possui um software com a interface lógica para colocar em prática
diversas funções e que podem ser facilmente acessadas realizando o download deste
aplicativo na própria página do Arduino (www.arduino.cc). A comunicação entre o software e
a placa do Arduino Uno R3 é realizada pela conexão USB/SERIAL, entre o microcontrolador
e o computador utilizado, possibilitando a programação software, compilação e transferência
da função responsável pelo funcionamento do protótipo para a placa do Arduino.
3.2
ARDUINO HARDWARE
Analisando o hardware do Arduino Uno R3, escolhido para aplicação por suportar
as necessidades de portas disponíveis para o projeto, se encontra a disposição quatorze
entradas/saídas digitais, que no projeto serão responsáveis por receber informações do sensor
de umidade e temperatura DHT11, e do sensor de tensão, o que possibilita gerar informações
48
que são constantemente monitoradas pelo microcontrolador, gerando os comandos de
acionamento nas portas usadas como saídas para o acendimento dos LED’s do circuito. Como
o Arduino possui portas analógicas e o projeto usará apenas as digitais, foi possível configurar
as seis entradas/saídas analógicas disponíveis de maneira a responderem de +VCC a 0 (zero),
e desta maneira se comportar como uma saída digital, com nível alto ou baixo. Esta ação
possibilita o aumento de portas de I/O na placa do Arduino.
3.3
ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA
A opção de alimentação do sistema por painéis solares (placas fotovoltaicas)
trouxe a necessidade de inserir uma bateria no sistema, garantindo assim que no período sem
a presença de luz solar, o sistema se mantenha em operação, e no período que a luz possa
fornecer energia, que passe a carregar a bateria. Além de manter a bateria com carga
suficiente para os períodos sem a luz, evita oscilações ou picos de tensão na alimentação do
microcontrolador, o que pode resultar em travamento ou queima do componente.
Uma vez que o Arduino Uno R3 trabalha com algumas faixas de tensão, é
possível trabalhar com uma tensão que seja mais fácil de encontrar baterias e painéis solares
para alimentar o sistema. A escolha foi a partir da tensão da bateria, de 12 VDC. Sendo assim,
todo o sistema será alimentado com 12 VDC e a carga também será feita por painéis solares
nesta mesma tensão, mas com uma corrente mais baixa que permita a carga mais lenta da
bateria, garantindo uma maior vida útil dela.
Desta maneira o Arduino sempre receberá 12 VDC da bateria, enquanto as placas
solares estarão gerando 12 VDC para carga enquanto ocorrer captação de luz, uma vez que
num dia claro e que não tenha sol intenso também ocorre, em menor intensidade, a geração de
energia, e consequentemente a carga da bateria.
A ligação entre Bateria e Painel Solar é realizada com uma simples ligação em
paralelo, entre o polo positivo da bateria e painel, e polo negativo da bateria e painel. Tais
ligações foram realizadas com cabos de alta condutividade e com o menor comprimento
possível, buscando aperfeiçoar a eficiência energética.
49
3.4
SENSOR DHT11 PARA ARDUINO
O Arduino possui inúmeros acessórios com diversas funções, e de fácil integração
com a placa.
Para o projeto em questão, foi necessário pesquisar um sensor que capaz de
identificar e informar ao microcontrolador variações em temperatura e umidade. Desta forma
foi possível encontrar um sensor simples que agregava todas as funções em um único
componentes, que pode ser integrado ao Arduino, o sensor DHT11.
Para melhor compreensão de todas as funções do sensor, bem como suas faixas de
operação, tensão de alimentação, polaridade e outras informações para sua utilização no
projeto, o datasheet do componente é de fundamental importância. Este documento
contempla todos os dados importantes do componente, uma ficha completa sobre todas as
suas características, das quais algumas são fundamentais para sua aplicação no projeto.
Após a leitura e analise do datasheet do sensor DHT11, se verificou que a ligação
do componente com o Arduino é realizada utilizando apenas uma saída VCC e GND para a
alimentação, e apenas uma das portas digitais disponíveis, que ficará reservada e dedicada,
sendo responsável pela comunicação com o microcontrolador. É através desta porta que todas
as variações nas leituras de temperatura e umidade são informadas ao microcontrolador do
Arduino.
3.5
SINALIZAÇÃO
No sistema de sinalização, para a montagem de um protótipo que realizasse a
atividade do projeto, LED’s simples de 5 mm foram conectados as portas de saídas do
Arduino. Uma vez que o sistema identifica uma variação que atinja os parâmetros de ativação,
o microcontrolador fica comutando as portas de saídas por pequenas frações de segundos,
numa sequência única que forma um traçado para ser visualizado.
A energia para alimentação dos LED’s é oriunda da porta do Arduino que é usada
como saída digital, que quando habilitada fornece 5VDC para alimentação do sistema de
LED’s, que contam com resistores para ajudar a limitar a corrente passante no circuito.
50
3.6
CÓDIGO EM C
Com todas as análises de hardware realizadas, outra parte importante para o
funcionamento do projeto é a programação da função que será executada pelo
microcontrolador do Arduino.
Esta programação aceita diversas linguagens computacionais, e por questões de
simplicidade no código fonte, uma das mais conhecidas e que foi aplicada é a linguagem C.
Para escrever o código fonte na linguagem C, é necessário adicionar alguns
códigos e tarefas importantes usadas pela própria ferramenta, para que o código possa ser
executado de maneira correta. As operações seguem uma sequência, que é inclusão de
biblioteca, atribuição de variável por porta na interface física, instanciar a biblioteca,
estabelecer função da interface física, criação de função em laço, declaração das variáveis,
inserção da função lógica e acionamentos das portas de saída que habilitarão os LED’s,
usados para indicação luminosa do dispositivo.
3.6.1
Inclusão de Biblioteca
O funcionamento do escopo depende da leitura do sensor DTH11, que é uma peça
fundamental do sistema. Como o sensor é um periférico do Arduino, sua conexão física é
muito simples, feita pelo par de fios de alimentação e por um pino de sinal numa das portas de
entrada e saída digital que ficará reservada para esta aplicação.
Porém, para que o sensor seja reconhecido e suas informações compreendidas
pelo microcontrolador, o código fonte precisa da inclusão de uma biblioteca específica, que
possui as rotinas padronizadas da linguagem de programação C, e contem operações comuns
como tratamento de entrada/saída e cadeia de caracteres, usadas pelo sensor para se
comunicar com a placa.
A biblioteca específica que tem esta capacidade é a idDHT11.h, e pode ser
atribuída no código fonte pela linha de comando #include <idDHT11.h>, já no início do
código fonte, de forma a garantir seu funcionamento.
51
3.6.2
Atribuição de Variável por Porta na Interface Física
Na descrição do código fonte é necessário atribuir em quais portas de entrada e
saída os sinais serão lidos para trazer alguma informação ou enviados para alguma ação.
O Arduino Uno R3 possui quatorze portas de entrada/saída e destas portas foram
reservadas dez para saída de acionamento dos LED’s que farão o sequenciamento para
direcionamento do formato da curva e uma para leitura do sensor que traz as informações
climáticas.
No protótipo, as portas três a doze foram atribuídas como saída, para os LED’s, e
a porta dois designada para a comunicação com o sensor. Estas atribuições são escritas no
próprio código fonte, em linguagem C, usando as linhas de comando descritas a seguir:
int idDHT11pin = 2;
int idDHT11intNumber = 0;
int led1 = 3;
int led2 = 4;
int led3 = 5;
int led4 = 6;
int led5 = 7;
int led6 = 8;
int led7 = 9;
int led8 = 10;
int led9 = 11;
int led10 = 12;
3.6.3
Instanciar a Biblioteca
Por se tratar de uma biblioteca específica do sensor DHT11, é exigido que a
criação de um invólucro para a chamada da função.
Instanciar é o processo de criar a estrutura lógica dos mesmos na memória. Isto
ocorre quando declaramos os objetos, pois neste momento todo o processo de construção dos
52
mesmos é efetivado. Assim, toda vez que declaramos um objeto estamos instanciando-o, ou
seja, estamos criando uma instância da classe.
A instanciação é feita também no código fonte, de acordo com os comandos:
void dht11_wrapper();
idDHT11 DHT11(idDHT11pin,idDHT11intNumber,dht11_wrapper);
void dht11_wrapper()
{
DHT11.isrCallback();
}
3.6.4
Estabelecer Função da Interface Física
É necessário estabelecer para as portas físicas se tais são de envio ou recebimento
de informações, caracterizando-as como OUTPUT ou INPUT PIN. Devido ao fato de que os
LED’s são acionados quando recebem o sinal +5V, se trata de um acionamento e não uma
leitura de informação. Para que esta condição seja compreendida pelo microcontrolador, é
necessário criar uma sintaxe no código fonte:
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(led1, OUTPUT);
pinMode(led2, OUTPUT);
pinMode(led3, OUTPUT);
pinMode(led4, OUTPUT);
pinMode(led5, OUTPUT);
pinMode(led6, OUTPUT);
pinMode(led7, OUTPUT);
pinMode(led8, OUTPUT);
pinMode(led9, OUTPUT);
pinMode(led10, OUTPUT);
}
53
3.6.5
Criação da Função em Laço
A função loop ou laço será repetido infinitas vezes, monitorando o código fonte
para verificar o status de suas portas, verificação do estado do sensor, função lógica,
acionamento dos LED’s e pausa entre as leituras climáticas.
A função é criada dentro do código fonte, pela função de laço void loop ().
3.6.5.1 Declaração das Variáveis
Foi previsto na análise que seriam considerados para o acionamento da
sinalização, uma condição definida como Umidade e outra de Temperatura, prevendo
existência de neblina ou chuva nestas condições climáticas. Também foi considerada a
necessidade de verificar o estado do sensor. Portanto foram criadas três variáveis,
temperatura, umidade e “result”, que são responsáveis pelos dados destas condições, seguindo
a sintaxe da linguagem C:
int result = DHT11.acquireAndWait();
int umidade = DHT11.getHumidity();
int temperatura = DHT11.getCelsius();
3.6.5.2 Verificação do Estado do Sensor
O questionamento do sensor se faz necessário para que seja possível uma análise
instantânea do funcionamento de tal, para que sejam diminuídas as chances de falhas.
A biblioteca do sensor prevê os estados OK, verificação, limite de tempo para
resposta, coletando informação ou fazendo leitura, tempo pequeno para adquirir informação,
não iniciado e erro desconhecido. Para tais casos, foi criado um switch variando por “result”,
que retorna ao microcontrolador o real status do sensor, seguindo uma lógica no código fonte:
54
switch (result)
{
case IDDHTLIB_OK:
Serial.println("OK");
break;
case IDDHTLIB_ERROR_CHECKSUM:
Serial.println("Error\n\r\tChecksum error");
break;
case IDDHTLIB_ERROR_TIMEOUT:
Serial.println("Error\n\r\tTime out error");
break;
case IDDHTLIB_ERROR_ACQUIRING:
Serial.println("Error\n\r\tAcquiring");
break;
case IDDHTLIB_ERROR_DELTA:
Serial.println("Error\n\r\tDelta time to small");
break;
case IDDHTLIB_ERROR_NOTSTARTED:
Serial.println("Error\n\r\tNot started");
break;
default:
Serial.println("Unknown error");
break;
}
3.6.5.3 Função Lógica
Conforme a lógica prevista, a sinalização deverá ser acionada quando as
condições climáticas forem alcançadas. Desta forma foi utilizado a função “if”, e como o
programa roda numa função de laço, fica monitorando constantemente as informações das
portas do sensor, que informa as condições previstas para acionamento.
55
Quando ocorrem variações identificadas pelo sensor ao microcontrolador, a
função “if” realiza outra rotina, que tem o objetivo principal de acionar os LED’s que piscam
sequencialmente. Estas condições monitoradas são de variações na temperatura e umidade,
sendo descrita no código fonte como if (umidade > 80), que é o ponto de disparo do
acionamento e da parada do comando de acendimento dos LED’s.
3.6.5.4 Acionamento dos LED’s
Caso seja comprovado via sensor que a umidade e a temperatura do ambiente
alcançaram o valor previsto no projeto, o microcontrolador habilita uma rotina para que as
portas de saída que alimentam os LED’s sejam acionadas.
Cada porta de saída fica ativa por 70 milissegundos, tempo suficiente para uma
piscada no LED, e depois desabilitada com o mesmo tempo de acionamento, passando para a
próxima porta. Esta sequência também segue a lógica do laço, e mostra visualmente o
acendimento sequencial de uma fileira de LED’s. Esta rotina é escrita no código fonte,
obedecendo a sequência:
digitalWrite(led1, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led1, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led2, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led2, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led3, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led3, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led4, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led4, LOW);
56
delay(70);
digitalWrite(led5, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led5, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led6, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led6, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led7, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led7, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led8, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led8, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led9, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led9, LOW);
delay(70);
digitalWrite(led10, HIGH);
delay(70);
digitalWrite(led10, LOW);
delay(70);
3.6.5.5 Pausa Entre as Leituras
Para que não haja um sucessivo questionamento do microcontrolador ao sensor
sobre as condições de temperatura e umidade, gerando um processamento consecutivo e
desnecessário em pequenos intervalos de tempo, inclusive aumentando o consumo do
57
processador, são utilizadas as funções de “if” e “else” que pausas o sistema durante 20
minutos.
Sendo assim, o microcontrolador executa uma coleta de informações sobre as
condições do clima em intervalor maiores, já que o clima não se altera tão instantaneamente.
No código fonte, os comandos para esta função pode ser descritos:
else
{
delay(50000);
}
3.7
CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO
Realizados os devidos estudos de hardware e software do Arduino, com o código
fonte já editado, compilado e transmitido para o microcontrolador, é hora da montagem da
parte eletrônica e conexões dos periféricos usados para a aplicação do projeto.
O código fonte foi editado respeitando todas as premissas necessárias para seu
perfeito funcionamento, usando o software disponibilizado na página do Arduino, sendo
transferido para a placa pela porta USB/SERIAL.
Com a placa do Arduino já carregada com o executável do projeto, a parte de
iluminação foi montada sobre um protoboard, que nada mais é do que uma matriz de contatos
que facilita a montagem de circuitos eletrônicos. Todos os LED’s foram conectados lado a
lado, cada um com seu resistor em série para limitar a corrente passante, e reduzindo também
um pouco da luminosidade do LED, podendo ser alterada caso necessite de mais intensidade.
Todos os LED’s foram conectados as portas pré-definidas como saídas, de maneira que o
microcontrolador envie os comandos para estas portas.
Ao circuito foi aplicado o sensor DHT11 responsável pelo monitoramento do
ambiente, pelas unidades de temperatura e umidade, que por sua vez informa estes dados ao
microcontrolador. O sensor foi conectado a uma porta dedicada e configurada para tal
aplicação.
Para alimentação do circuito foi conectado uma bateria de 12V, com capacidade
de fornecimento de 28W para o sistema, um pouco mais do que 2A. Esta bateria é que
58
alimentará todo o circuito, e esta bateria carregada a placa fotovoltaica, que realiza o
carregamento da bateria aproveitando a energia solar. Uma rápida representação em blocos do
projeto é apresentada na Figura 17.
Figura 17: Diagrama de Blocos do Sistema de Sinalização
Fonte: Autores, 2013.
Com todos os passos realizados e conectados, foi possível ligar o protótipo para
realizar testes de funcionamento.
O sistema de carregamento da bateria é composto por duas placas fotovoltaicas
associadas, para melhorar a corrente de carga, fazendo com que a bateria se carrega mais
rápido, aproveitando poucos períodos de luz para isso. O protótipo montado com todos seus
componentes é apresentado na Foto 3.
Foto 3: Protótipo do Sistema de Sinalização no Protoboard
Fonte: Autores, 2013.
59
4
RESULTADOS E DISCUSSÕES
Para a montagem do protótipo do sistema de sinalização, houve a necessidade de
escrever um código fonte, que compilado executará as atividades solicitadas, e uma breve
montagem dos componentes que compõem o sistema, bem como sua fonte de energia com
seu carregador, e as lâmpadas para iluminação sequencial para determinar a tangencia da
curva.
Na parte da escrita do código fonte, o software permite realizar pequenos testes
para verificar se suas funções atendem as solicitações propostas, ou seja, cada etapa ou parte
do código já poderia ser testada antecipadamente, uma vez que o programa realizava
simulações no próprio desktop usado. Todas as etapas foram testadas, para garantir a
execução do código fonte.
O sensor quando instalado ao sistema já conseguiu transmitir os dados de
temperatura e umidade ao sistema do Arduino. Pequenas manipulações na temperatura em
torno do sensor puderam assegurar que o sensor detectava a variação e tal informação
transferida para o Arduino, que comparando as informações com as preestabelecidas no
código fonte, colocava o sistema de iluminação em funcionamento. Da mesma forma, quando
os dados de temperatura e umidade retornavam a valores normais, o sistema parava, em
espera.
Com manipulações de clima e simulações práticas em bancada com o protótipo,
ficou provado seu funcionamento conforme ideia inicial, sendo um sistema totalmente
funcional e aplicável em campo.
60
5
CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS
Este trabalho demonstrou uma solução de sinalização de segurança eletrônica
totalmente independente e autônoma, para aplicação em rodovias em localidades com maior
incidência de variações climáticas, normalmente em serras e lugares mais úmidos, em locais
de curvas perigosas. As informações foram dispostas de forma clara, simples e objetiva, sendo
os capítulos formados por breves introduções e caracterização prévia da secção em foco.
No início do trabalho foi mencionado que o objetivo é criar uma sinalização que
possa ser vista sob chuva e neblina, condições climáticas que diminuem a visibilidade de
condutores nas rodovias. A comercialização da solução é possível, bastando viabilizar
questões de cunho econômico e eficiência dos materiais utilizados.
Atualmente as sinalizações existentes nas rodovias feitas em sua grande maioria
por placas de sinalização e tachões, mais conhecidos como olho de gato. A pintura especial
usada para confecção destas placas aproveitam a luz dos faróis dos carros que são
direcionadas as placas para causar um efeito luminoso capaz de ser visto a distância. O
problema é que nos casos de chuva intensa ou neblina, os faróis convencionais, por mais que
usem LED’s de última geração, não focam muito longe, e o efeito deixa de ser o esperado.
Com o uso da eletrônica para criar um dispositivo de sinalização que possa ser
usado nas condições de pouca visibilidade, foi possível criar num protótipo a ideia de
iluminar os locais perigosos, com indicações luminosas sequenciais, como um pisca-pisca,
apontando o traçado da curva. Este sistema que se matem em funcionamento, com capacidade
de se recarregar, pode ser equipado em campo com lâmpadas especiais mais modernas que
permitem sua percepção a maiores distâncias, o que lâmpadas normais não permitem. Desta
forma os motoristas conseguem visualizar as iluminações que tangenciam curvas, auxiliando
numa boa condução, e consequentemente aumentando o grau de segurança.
A experiência prática verificada através do circuito protótipo demonstrou que o
projeto é aplicável em campo, que funciona corretamente e pode ser explorado e melhorado.
O trabalho mostra que a funcionalidade do sistema no protótipo ficou comprovado, e as
variações de temperatura e umidade quando ocorrem, são recebidas e processadas pelo
microcontrolador da placa Arduino, que por sua vez executa uma rotina de acendimento da
iluminação, que na prática poderá ser instalada ao longo da curva.
61
Embora o protótipo tenha sido aplicado devido sua funcionalidade, ainda é
necessário realizar outros testes para aumentar ainda mais a segurança de seu funcionamento,
e ainda criar outros recursos que tornem o dispositivo à prova de falhas e mais econômico,
tanto em questões de custo para implantação quanto de consumo da energia que utiliza
baterias.
Para trabalhos futuros que busquem melhorias no sistema para torná-lo um item
de comercialização, pode-se apontar a necessidade de ter no sistema uma bateria com alta
capacidade de autonomia, e que possa aguentar um maior ciclo de carga e descarga. Os
componentes e processadores usados para a execução do código fonte também precisam ter
características de baixo consumo de energia, uma vez que o aplicativo ficará num laço de
repetição infinito. As lâmpadas também são alvos de um bom estudo, onde devem ser
específicas para serem vistas sob neblina e chuva, aliado a um baixo consumo de energia. O
sensor aplicado no projeto tem uma escala menor, com uma precisão não tão alta, e também
poderia ser aplicado ao mesmo sistema um sensor mais novo, como o DHT22 para Arduino.
Seu funcionamento é o mesmo, incluindo suas bibliotecas que são semelhantes, mas sua
diferença é exatamente em precisão e escala de temperatura e umidade, que permitem
medidas mais precisas e em temperaturas menores ou maiores do que no sensor atual. Outros
sensores também podem ser instalados para ficar monitorando outras condições do sistema,
como status da carga da bateria ou outros, criando uma maior segurança e estabilidade ao
circuito, sempre visando economia no consumo de energia e máxima funcionalidade.
Sendo assim, fica claro a eficiência da solução e que todos os objetivos impostos
na criação do trabalho foram alcançados com sucesso.
62
REFERÊNCIAS
ACIOLI, José de Lima. Fontes de energia. Brasília: Universidade de Brasília, 1994.
ARDUINO. Disponível em: < http://www.arduino.cc>. Acesso em Set/2013.
ATKINS, Peter; JONES, Loreta. Princípios da Química. 3a Ed. Porto Alegre: Bookman,
2006.
COMETTA, Emilio. Energia solar. São Paulo: Hemus,1978.
DIAZ, NORA, “Apostila Semicondutores” 1ª edição.
MOORE, John T. Química para leigos. Rio de Janeiro: AltaBooks, 2008.
RASHID, M.H.; “Eletrônica de Potência – Circuitos, Dispositivos e Aplicações”, Makron
Books, São Paulo, 1999.
SISTEMAS FOTOVOLTAÍCOS. Disponível em <http://www.solenerg.com.br/conceitos>.
Acesso em Out/2013.
SMITH, A. G.; Introduction to Arduino: Piece of Cake!, 2011. Disponível em:
<http://www.introtoarduino.com>. Acesso em Set/2013.
VILLAÇA, M.V.M. e RANGEL, P.R.T.; “Eletrônica de Potência”, Volumes 1 e 2, apostila,
CEFET/SC, Florianópolis, 1999.
63
ANEXOS
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ANEXO A – Datasheet do Sensor DHT11 Arduino
.
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67
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69
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