Relatório

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA ELETRÔNICA
JOÃO PAULO PERUSSOLO
MARCUS VINICIUS GARCIA AMANCIO
CHUVEIRO INTELIGENTE
CURITIBA
2014
JOÃO PAULO PERUSSOLO
MARCUS VINICIUS GARCIA AMANCIO
CHUVEIRO INTELIGENTE
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia Eletrônica da Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletrônico.
Orientador: Prof. Me. Vilson Rodrigo
Mognon
CURITIBA
2014
JOÃO PAULO PERUSSOLO
MARCUS VINICIUS GARCIA AMANCIO
CHUVEIRO INTELIGENTE
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao Curso de Graduação em
Engenharia Eletrônica da Pontifícia
Universidade Católica do Paraná, como
requisito parcial à obtenção do título de
Engenheiro Eletrônico.
COMISSÃO EXAMINADORA
_____________________________________
Prof. Dr. Gerson Linck Bichinho
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
_____________________________________
Prof. Dr. James Alexandre Baraniuk
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
_____________________________________
Prof. Me. Vilson Rodrigo Mognon
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
Curitiba, 01 de dezembro de 2014.
Dedicamos a Deus, aos nossos familiares,
amigos e a todos que nos ajudaram
na elaboração deste trabalho.
AGRADECIMENTOS
Queremos agradecer primeiramente a Deus, pela conclusão de mais essa
etapa em nossas vidas, pela saúde, sabedoria e persistência ao longo desta jornada
e pela oportunidade de desenvolvermos este trabalho de conclusão de curso da
melhor maneira possível.
Agradecemos aos nossos familiares, que nos deram apoio e incentivo nos
momentos mais difíceis e acompanharam o nosso andamento.
Agradecemos ao nosso orientador, professor Vilson Rodrigo Mognon, pela
atenção, paciência e o apoio que nos ofereceu, principalmente nos momentos mais
importantes do projeto.
Agradecemos ao professor James Alexandre Baraniuk pelos conselhos ao
longo deste ano, que sem dúvida foram fundamentais para a escolha do tema do
projeto e o desenvolvimento deste trabalho de conclusão de curso.
Agradecemos ao professor Gerson Linck Bichinho pelos conselhos e
acompanhamento durante as apresentações.
De maneira especial, agradecemos a todos os professores que ao longo
desta graduação, disponibilizaram e compartilharam conosco o máximo de
sabedoria e conhecimento.
Aos nossos colegas de classe, que tivemos o prazer de conhecer durante o
curso de engenharia, pela grande amizade que criamos não só durante a etapa final
como em todo o decorrer do curso.
À todos que, diretamente ou indiretamente, contribuíram neste projeto.
"A persistência é o menor caminho do êxito."
(CHARLES CHAPLIN, 1997, p.118)
RESUMO
O chuveiro elétrico está presente na maioria das residências brasileiras. Este
aparelho é um dos vilões quando o assunto é consumo de energia, sendo
responsável por grande percentual da conta de luz da população. Diante deste fato
surge a proposta de um chuveiro inteligente, capaz de controlar eletronicamente a
temperatura e o tempo do banho, de acordo com as preferências do usuário e, além
disso, mostrar a quantidade de água e de energia que o usuário está utilizando. As
etapas de desenvolvimento iniciam com uma pesquisa teórica a respeito dos
sensores (temperatura, corrente elétrica, fluxo, etc.) e finalizam com um protótipo,
passando por etapas intermediárias de teste de software e hardware. O principal
componente do projeto é um microcontrolador que realizará a leitura dos diversos
sensores e se comunicará com a interface homem máquina, em que serão obtidos
temperatura e tempo de banho desejados. Foram usados também alguns
periféricos, como circuito detector de zero e módulos de rádio, responsáveis pela
sincronia da onda de chaveamento com a da rede e comunicação entre o chuveiro e
a interface homem-máquina, respectivamente. A proposta mostra-se inovadora pois,
além de proporcionar conforto, integra um conceito novo, que é o da medição de
consumo da água no próprio chuveiro, o que ainda não é explorado hoje em dia.
Palavras-chave: Chuveiro. Medição. Consumo de energia. Consumo de água.
ABSTRACT
The electric shower is present in most of the Brazilian homes. When it comes to
energy consumption this device is one of the villains, accounting for a large
percentage of the people's energy bills. Given this context the proposal of a smart
shower, able to electronically control the temperature and bath time according to the
user preferences and show the amount of water and energy that the user is
spending. This work starts with a theoretical research on the sensors (temperature,
electric current, water flow, etc.), and ends with a final prototype, passing through
intermediate stages of testing software and hardware. The main component of the
project is a microcontroller that performs the reading of multiple sensors and
communicates with the human machine interface, where parameters such as
temperature and time of desired bath will be obtained. Also, some peripherals were
used, such as zero voltage detector and radio modules. These are responsible for
the synchronism between the switching signal with the power line and the
communication between the shower and the human machine interface respectively.
The proposal shows itself innovative because in addition to providing comfort,
integrates a new concept, which is the measurement of water consumption in the
shower itself, which is unexplored today.
Key-words: Shower. Measurement. Energy consumption. Water consumption.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Estrutura do tiristor do tipo SCR ............................................................... 21
Figura 2 - Estrutura do tiristor do tipo SCR com transistores .................................... 21
Figura 3 - Funcionamento do TRIAC ideal ................................................................ 23
Figura 4 - Circuito de Aplicação do TRIAC ................................................................ 23
Figura 5 - Esquemático do Microcontrolador ............................................................. 24
Figura 6 - Exemplo de barramento I2C ..................................................................... 26
Figura 7 - Programa Hercules ................................................................................... 28
Figura 8 - Diagrama em blocos do projeto proposto ................................................. 30
Figura 9 - Ilustração da estrutura interna do chuveiro ............................................... 31
Figura 10 - Dissipador de calor do circuito de potência ............................................. 32
Figura 11 - Diagrama de blocos do sistema do chuveiro .......................................... 33
Figura 12 - Circuito de acondicionamento do sensor de tensão................................ 34
Figura 13 - Circuito de Acondicionamento do Sensor de Corrente ........................... 35
Figura 14 - Circuito detector de passagem por zero ................................................. 36
Figura 15 - Circuito de Potência ................................................................................ 37
Figura 16 - Sensor de vazão de água ....................................................................... 38
Figura 17 - Diagrama de conexão LM35 ................................................................... 39
Figura 18 - Módulo Xbee ........................................................................................... 40
Figura 19 - Diagrama de blocos do circuito da Interface ........................................... 41
Figura 20 - Registradores do circuito integrado DS1307 ........................................... 42
Figura 21- Circuito de aplicação típico DS1307 ........................................................ 43
Figura 22 - Módulo VM800C ..................................................................................... 44
Figura 23 - Diagrama de blocos funcional do FT800 ................................................. 45
Figura 24 - Fluxograma mudança de tela .................................................................. 47
Figura 25 - FTDI EVE Screen Editor ......................................................................... 48
Figura 26 - Equações para obtenção do valor RMS de forma contínua e discreta ... 50
Figura 27 - Resposta do teste do sensor de tensão .................................................. 53
Figura 28 - Resposta do teste do sensor de corrente ............................................... 54
Figura 29 - Teste do detector de zero ....................................................................... 55
Figura 30 - Onda da tensão na carga ........................................................................ 56
Figura 31 - Cronograma do 1º semestre de 2014 ..................................................... 57
Figura 32 - Cronograma do 2º semestre de 2014 ..................................................... 57
Figura 33 - Esquemático da placa principal do chuveiro ........................................... 62
Figura 34 - Placa principal do chuveiro ..................................................................... 63
Figura 35 - Circuito de acondicionamento do sensor de tensão e de corrente ......... 63
Figura 36 - Placa do detector de zero ....................................................................... 64
Figura 37 - Chuveiro com o hardware e sensores instalados.................................... 64
Figura 38 - Hardware da interface ............................................................................. 65
Figura 39 – Tela gráfica de inicialização da interface ................................................ 65
Figura 40 – Telas gráficas de cadastro e visualização de usuários .......................... 66
Figura 41 – Telas gráficas do menu do usuário ........................................................ 67
Figura 42 – Telas gráficas de configurações e visualização de consumo ................. 68
Figura 43 – Tela gráfica de ajuste de hora e data ..................................................... 69
Figura 44 – Tela gráfica de alerta do tempo de banho .............................................. 69
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A
Ampere
Abinee
Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica
ADC
Analog-to-Digital Converter
AREF
Analog Reference
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
EEPROM
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
EVE
Embedded Video Engine
GND
Ground
GUI
Graphical User Interface
HW
Hardware
IBGE
Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística
IC
Integrated Circuit
I²C
Inter-Integrated Circuit
IHM
Interface Homem Máquina
Iout
Corrente de saída
ISBN
International Standard Book Number
L
Litros
LCD
Liquid Crystal Display
LSB
Less Significant Bit
MCU
Microcontroller Unit
p.
Página
Pa
Pascal
PUCPR
Pontifícia Universidade Católica do Paraná
RX
Entrada de recepção de sinal
SIBI
Sistema Integrado de Bibliotecas
SPI
Serial Peripheral Interface
SW
Software
TC
Transformador de Corrente
TX
Saída de transmissão do sinal
UART
Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
TRIAC
Triode for Alternating Current
TTL
Transistor-Transistor Logic
RMS
Root Mean Square
RTC
Real-Time Clock
V
Volt
Vin
Tensão de entrada
Vpp
Tensão pico a pico
W
Watts
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO ............................................................................................. 16
1.1
JUSTIFICATIVA............................................................................................ 17
1.2
OBJETIVOS ................................................................................................. 18
1.2.1
Objetivo geral .............................................................................................. 18
1.2.2
Objetivo específicos ................................................................................... 18
2 REFERENCIAL TEÓRICO..................................................................................... 19
2.1
HISTÓRIA DO CHUVEIRO ELÉTRICO........................................................ 19
2.2
FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UM CHUVEIRO ELÉTRICO .................... 20
2.3
CONTROLE DE POTÊNCIA ........................................................................ 20
2.3.1
Tiristores ..................................................................................................... 21
2.3.1.1 Triac.............................................................................................................. 22
2.4
SENSORES .................................................................................................. 23
2.4.1
Classificação dos sensores ....................................................................... 23
2.4.2
Parâmetros dos sensores .......................................................................... 24
2.5
MICROCONTROLADOR .............................................................................. 24
2.5.1
Conversor analógico digital ...................................................................... 25
2.5.2
Memória ....................................................................................................... 25
2.5.1
Comunicação I2C........................................................................................ 25
2.5.2
Comunicação SPI ....................................................................................... 27
2.5.3
Comunicação UART ................................................................................... 27
3
CONCEITOS DE METODOLOGIA .............................................................. 29
3.1
TOPOLOGIA DO SISTEMA ......................................................................... 29
3.2
DIAGRAMA EM BLOCOS ............................................................................ 30
3.3
DESCRIÇÃO GERAL DO CHUVEIRO ......................................................... 31
3.3.1
Dissipador de calor do circuito de potência ............................................ 32
3.4
DESCRIÇÃO GERAL DO HARDWARE DESENVOLVIDO .......................... 33
3.4.1
Hardware do chuveiro ................................................................................ 33
3.4.1.1 Sensor de tensão.......................................................................................... 33
3.4.1.2 Sensor de corrente ....................................................................................... 35
3.4.1.3 Circuito de detecção de zero ........................................................................ 36
3.4.1.4 Circuito de acoplamento óptico .................................................................... 36
3.4.1.5 Sensor de vazão ........................................................................................... 37
3.4.1.6 Sensor de temperatura ................................................................................. 38
3.4.1.7 Microcontrolador ATmega8 .......................................................................... 39
3.4.1.8 Módulo Xbee ................................................................................................ 40
3.4.2
Hardware da interface ................................................................................ 41
3.4.2.1 Microcontrolador ATmega328P .................................................................... 41
3.4.2.2 Relógio de tempo real................................................................................... 42
3.4.2.3 Módulo de desenvolvimento VM800C .......................................................... 43
3.4.2.4 Controlador gráfico FT800 ............................................................................ 44
3.5
DESCRIÇÃO GERAL DO FIRMWARE DESENVOLVIDO ........................... 45
3.5.1
Firmware do chuveiro ................................................................................ 45
3.5.2
Firmware da Interface ................................................................................. 46
3.5.2.1 Desenvolvimento gráfico das telas ............................................................... 47
3.5.3
Protocolo de comunicação ........................................................................ 48
3.5.3.1 Chuveiro ....................................................................................................... 48
3.5.3.2 Interface........................................................................................................ 49
3.6
ENSAIOS REALIZADOS .............................................................................. 49
3.6.1
Ensaio do sensor de tensão ...................................................................... 50
3.6.2
Ensaio do sensor de corrente ................................................................... 50
3.6.3
Ensaio do sensor de vazão ........................................................................ 51
3.6.4
Ensaio do detector de zero ........................................................................ 51
3.6.5
Ensaio do módulo XBEE ............................................................................ 51
3.6.6
Ensaio da comunicação SPI da interface ................................................. 51
3.6.7
Ensaio do circuito de potência .................................................................. 52
3.6.7.1 Funcionamento ............................................................................................. 52
3.6.7.2 Ângulo de disparo ......................................................................................... 52
3.6.8
Ensaio do protocolo de comunicação ...................................................... 52
3.7
RESULTADOS DOS ENSAIOS .................................................................... 53
3.7.1
Sensor de tensão ........................................................................................ 53
3.7.2
Sensor de corrente ..................................................................................... 54
3.7.3
Sensor de vazão ......................................................................................... 54
3.7.4
Detector de zero.......................................................................................... 55
3.7.5
Módulo XBEE .............................................................................................. 55
3.7.6
Comunicação SPI da interface .................................................................. 55
3.7.7
Circuito de potência ................................................................................... 56
3.7.8
Protocolo de comunicação ........................................................................ 56
3.8
CRONOGRAMA ........................................................................................... 56
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS ......................................................................... 58
4.1
SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ................................................ 59
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 60
APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DA PLACA PRINCIPAL DO CHUVEIRO ............ 62
APÊNDICE B – PLACA PRINCIPAL DO CHUVEIRO ............................................. 63
APÊNDICE C – CIRCUITO DE ACONDICIONAMENTO DO SENSOR DE TENSÃO
E DE CORRENTE ..................................................................................................... 63
APÊNDICE D – PLACA DO DETECTOR DE ZERO ................................................ 64
APÊNDICE E – CHUVEIRO COM O HARDWARE E SENSORES INSTALADOS .. 64
APÊNDICE F – HARDWARE DA INTERFACE ........................................................ 65
APÊNDICE G – TELA GRÁFICA DE INICIALIZAÇÃO DA INTERFACE ................ 65
APÊNDICE H – TELAS GRÁFICAS DE CADASTRO E VISULIZAÇÃO DE
USUÁRIOS ............................................................................................................... 66
APÊNDICE I – TELAS GRÁFICAS DO MENU DO USUÁRIO ................................. 67
APÊNDICE J – TELAS GRÁFICAS DE CONFIGURAÇÕES E VISUALIZAÇÃO DE
CONSUMO................................................................................................................ 68
APÊNDICE L – TELA GRÁFICA DE AJUSTE DE HORA E DATA ......................... 69
APÊNDICE M – TELA GRÁFICA DE ALERTA DO TEMPO DE BANHO ................ 69
16
1 INTRODUÇÃO
Água e energia elétrica são recursos fundamentais para a vida dos seres
humanos. Sem a água não existiria vida e sem energia elétrica seríamos privados do
imenso conforto que ela nos proporciona. A eletrônica permite a implementação de
sistemas, os mais diversos, para conforto e bem estar do homem. Nesse sentido,
também pode proporcionar economia de água e de energia elétrica consumidas durante
o banho.
Atualmente, um dos aparelhos que mais pesam na conta de luz e de água dos
brasileiros é o chuveiro elétrico. Os mais comuns, possuem regulagem de temperatura
da água efetuada por meio de uma chave com três posições: inverno, verão e desligado.
Quando a água não é aquecida o suficiente, é comum o usuário regular o fluxo para
ajuste da temperatura, de forma que, quanto menor o fluxo, mais a água esquenta.
Modelos mais recentes apresentam uma inovação que consiste em um controle
analógico de temperatura que, com aplicação da eletrônica de potência, dá ao usuário
um controle gradativo da temperatura, porém não possuem nenhuma automatização.
Aliando avanço tecnológico e sustentabilidade, é possível a criação de novos tipos de
chuveiros.
Neste projeto foi desenvolvido um chuveiro para uso residencial que permite o
controle digital de temperatura, a medição do consumo de água, a medição do consumo
de energia elétrica e a especificação do tempo de banho. Há uma interface de controle
em que sã apresentadas as informações do consumo de água e de energia elétrica do
chuveiro, e as opções de configurações de temperatura da água, e o tempo limite de
banho.
Através desse sistema, o usuário tem a vantagem de garantir conforto de forma
econômica e sustentável, uma vez que o chuveiro só aplica a potência necessária para
alcançar e manter uma temperatura de água estabelecida durante um tempo de banho
pré-determinado, diferentemente dos modelos convencionais, que dispõem de três
regulagens apenas.
Para a realização desse projeto, foram empregadas as teorias de eletrônica, de
eletrônica
de
potência,
microprocessadores,
circuitos
elétricos,
instrumentação
eletrônica, sistemas de controle, mecânica do sólidos e fenômenos dos transportes.
17
1.1 JUSTIFICATIVA
A tendência da busca de soluções sustentáveis, visando à economia de energia
elétrica nos dias de hoje, tem levado ao surgimento de uma infinidade de novos
aparelhos.
Tendo em vista este cenário, e a partir da busca de uma solução inovadora,
surgiu a ideia da criação de um chuveiro integrado, relacionado com consumo de água e
de energia.
O aquecimento de água apresenta diversas variáveis, como consumo e demanda
de água e energia, fluxo, temperatura e riscos ao usuário. Enquanto o consumo e a
demanda de energia são relacionados a problemas econômicos, fluxo e temperatura
dizem respeito ao conforto dos usuários. (Prado,1998)
A água é um dos recursos naturais mais importantes, que pode vir a se tornar
escasso daqui a alguns anos. Segundo dados divulgados pela Organização das Nações
Unidas (ONU) no Congresso Mundial da Água em 2007, 1,8 bilhão de pessoas
enfrentarão níveis críticos de falta de água já em 2025, e 2/3 da população mundial
serão afetados.
O chuveiro elétrico está presente em 73,1% das residências brasileiras, ou seja,
mais de 110 milhões de brasileiros utilizam chuveiros elétricos. (PROCEL/Eletrobrás,
2007). É um dos aparelhos que mais consomem água e energia, sendo, portanto, um
dos vilões do orçamento doméstico.
De acordo com a ONU, cada pessoa necessita de 3,3 m³/pessoa/mês (cerca de
110 litros de água por dia para atender às necessidades de consumo e higiene). No
entanto, no Brasil, o consumo por pessoa pode chegar a mais de 200 litros/dia
(Sabesp,2010).
Segundo a Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (ABINEE), o
banho ideal deve ter duração máxima de oito minutos e consumo de água de 3 litros por
minuto.
O chuveiro inteligente auxilia o usuário na redução do consumo de água e de
energia, sem deixar de lado o conforto e a facilidade de uso. Ele também permite o
controle digital da temperatura, a medição do consumo de água, a medição do consumo
de energia e o controle do tempo de banho. Através de uma interface para controle do
usuário são mostradas as informações de consumo e opções para configuração de
temperatura da água e do tempo limite de banho.
18
De acordo com estudos realizados pelo Grupo de Chuveiros Elétricos da ABINEE
em 2009, descobriu-se que há variações no custo por banho de oito minutos, quando
adotados diferentes sistemas: R$ 0,22 para o chuveiro elétrico, R$ 0,35 para o sistema
de aquecimento solar, R$ 0,58 para o sistema a gás, R$ 0,22 para o híbrido (solar e
chuveiro elétrico) e R$ 0,78 para o boiler. Levando em consideração uma família de
quatro pessoas, com a utilização do chuveiro elétrico há um consumo mensal de R$
26,40. Se essa família optar pelo coletor solar, o consumo será de R$ 42,00 e, caso
escolha o sistema a gás, de R$ 69,60.
O chuveiro elétrico também se destacou na análise de consumo de água,
consumindo em torno de 4 litros por minuto contra 8,7 do solar, 9,1 do sistema a gás e
8,4 do boiler elétrico.
Considerando a água perdida no início de cada banho, até ser atingida a
temperatura adequada, a perda nos sistemas solar e boiler é de 5 litros, 4,5 litros no
sistema a gás, e próxima de zero no elétrico.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo geral
Desenvolver um chuveiro para uso residencial com controle digital de
temperatura, medição do consumo de água e de energia, e que, por meio de uma
interface, informe o tempo do banho, a temperatura da água e o gasto de energia, com a
obtenção dos parâmetros desejados.
1.2.2 Objetivo específicos
Os objetivos específicos do trabalho são:
a) Escolher um modelo de chuveiro adequado para realizar as devidas adaptações e
introduzir o circuito;
b) Desenvolver o hardware e o firmware para realizar o gerenciamento e controle do
circuito de potência, sensor de temperatura, sensor de corrente e sensor de
vazão de água;
19
c) Desenvolver uma Interface Homem Máquina para permitir e facilitar o controle
das funções do chuveiro, além de possibilitar a visualização do consumo de
energia e de água do mesmo;
d) Realizar os devidos testes para verificação e correção de possíveis falhas.
2 REFERENCIAL TEÓRICO
2.1
HISTÓRIA DO CHUVEIRO ELÉTRICO
O banho é atividade comum e fundamental para a higiene do ser humano, e hoje
este hábito de limpeza faz parte de sua rotina. O hábito de tomar banho é tão antigo
quanto a própria humanidade.
Registros históricos apontam que a prática de banhar-se individualmente remete
de 3000 a.C. do antigo Egito. Os egípcios tomavam banho diariamente, além de praticar
rituais de purificação de água.
As civilizações grega e romana trouxeram também grandes contribuições para
transformar o banho numa prática comum, a partir do desenvolvimento de sistemas de
encanamento e aquecimento de água.
Na Idade Média, o hábito de tomar banho caiu em desuso na Europa. Com o
fortalecimento do cristianismo, o corpo passou a ser associado com a noção de pecado,
e o banho transformou-se em uma atividade anual e de luxúria.
Enquanto isso, no restante do mundo, outros povos continuavam a possuir este
hábito. No Brasil, muitos dos povos indígenas tomavam banho diariamente, hábito que é
considerado uma das heranças culturais deixadas por eles.
Somente após a Revolução Industrial, com o aumento da população e das
necessidades de saneamento e higiene, que a Europa retomou o costume de banho
rotineiro, o que levou o desenvolvimento de novos sistemas de aquecimento da água. A
maioria dos sistemas europeus eram baseados no aquecimento a gás, o que foi possível
devido ao continente europeu já possuir naquela época uma extensa rede de
distribuição de gás.
Ao contrário da Europa, o Brasil possuía uma rede de energia elétrica que
alcançava uma boa parte da população. Este fato levou que em meados da década de
40 o primeiro chuveiro elétrico fosse desenvolvido.
20
Na década de 70, foi lançado o primeiro chuveiro fabricado em termoplástico de
engenharia, que por possuir um preço acessível, atraiu vários consumidores.
Desde então, foram surgindo vários tipos de chuveiro elétricos com diferentes
sistemas para controle de potência.
2.2 FUNCIONAMENTO BÁSICO DE UM CHUVEIRO ELÉTRICO
O chuveiro elétrico consiste de um dispositivo de pequenas proporções, com uma
câmara de plástico ou metal. Dentro há uma resistência elétrica, que necessita ser
ativada por conexões com a rede elétrica. Geralmente, na parte de cima há uma chave
com duas, três ou mais posições que alteram a temperatura por meio da potência na
resistência. O usuário pode sofrer choque elétrico ao manusear o dispositivo com ele
ligado. (Prado,1998)
O princípio de funcionamento e a estrutura do chuveiro elétrico tiveram poucas
alterações desde sua criação. Constituído por uma resistência feita de metais com alto
ponto de fusão, o chuveiro elétrico nada mais é que um aquecedor de passagem.
Primeiramente, ao liberar a água pelo registro, esta se acumula na câmara de
aquecimento do chuveiro. Com o aumento da vazão de água, um diafragma é ativado,
fechando um contato elétrico de modo a permitir a ligação do chuveiro com a energia
elétrica. Assim, a resistência começa a aquecer devido a passagem de corrente elétrica
transmitindo calor à água por condução. Quando a torneira é fechada, a o resto de água
dentro do chuveiro escorre. O diafragma volta então para sua posição inicial
interrompendo o contato com a energia elétrica, desligando o chuveiro.
2.3 CONTROLE DE POTÊNCIA
“A eletrônica de potência pode ser definida como a aplicação da eletrônica de
estado sólido para o controle e conversão da energia elétrica” (RASHID,1999, p. 1).
De acordo com AHMED (2000, p. 14):
A eletrônica de potência progrediu com rapidez nos últimos anos,
com o desenvolvimento dos dispositivos semicondutores de potência que
podem chavear altas correntes eficientemente em altas tesões. Uma vez
que esses dispositivos oferecem alta confiabilidade e são de pequeno
porte, a eletrônica de potência expandiu sua abrangência para diversas
aplicações.
21
Segundo Fitzgerald (2006, p. 471):
Os dispositivos de chaveamento são comuns a todos os circuitos de
eletrônica de potência. Idealmente, o controle da corrente nesses dispositivos é
muito parecido ao modo como as válvulas controlam o fluxo dos fluídos: não
apresentarão resistência no estado ABERTO; no caso FECHADO não há
passagem de corrente.
Como aponta Rashid (1999, p.1), o desenvolvimento da tecnologia de
microprocessadores/microcomputadores teve grande impacto no controle e na
sintetização da estratégia de controle para os dispositivos semicondutores de potência.
2.3.1 Tiristores
Tiristores são dispositivos semicondutores que tem em comum 4 camadas
semicondutoras numa sequência p-n-p-n na sua estrutura. Entre os tiristores mais
comuns estão: SCR (Retificador Controlado de Silício), TRIAC (tiristor tríodo
bidirecional), DIAC (tiristor diodo bidirecional), MCT (tiristor controlado por MOS), entre
outros.
Os tiristores comumente possuem três terminais, sendo eles ânodo, catodo e
porta (ou Gate). Sua estrutura pode ser vista na Figura 1.
Figura 1 - Estrutura do tiristor do tipo SCR
Fonte: FEEC – UNICAMP - Tiristores e retificadores controlados1.
É possível fazer uma analogia com um circuito utilizando transistores para melhor
entender o funcionamento do tiristor. O circuito equivalente é o da Figura 2.
Figura 2 - Estrutura do tiristor do tipo SCR com transistores
_______________
1Disponível
2014.
em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo2.pdf> Acesso em jun.
22
Fonte: FEEC – UNICAMP - Tiristores e retificadores controlados2.
Neste circuito, normalmente não há passagem de corrente até que haja um pulso
no terminal G. Este colocará o transistor T2 em condição que, por sua vez, colocará o
transistor T1 em condução, ao colocar sua base no potencial mais baixo. A condição do
transistor T1 permitirá que o transistor T1 continue em condução mesmo que o pulso de
entrada seja retirado. O circuito só voltará para estado de corte quando a corrente que
circula nele for menor que um valor limite, necessário para manter os transistores em
condução. Tal valor é chamado de corrente de manutenção. A corrente mínima para o
acionamento do dispositivo é chamada de corrente de disparo.
2.3.1.1 Triac
Para realizar controle da corrente CA um dos dispositivos mais usados é
chamado TRIAC. Este é um semicondutor e sua principal característica é conduzir
corrente CA entre dois terminais a partir de um pulso aplicado em seu gatilho. O
dispositivo permanecerá em condução até que a corrente que circula nele caia abaixo de
um valor mínimo, próximo de zero.
Nas Figuras 3 e 4 é possível ver o funcionamento de um TRIAC ideal e um
simples circuito de sua aplicação respectivamente.
_______________
2Disponível
2014.
em: <http://www.dsce.fee.unicamp.br/~antenor/pdffiles/ee833/Modulo2.pdf> Acesso em jun.
23
Figura 3 - Funcionamento do TRIAC ideal
Fonte: Fitzgerald, 2006, p. 476.
Figura 4 - Circuito de Aplicação do TRIAC
Fonte: Fitzgerald, 2006, p. 477.
2.4 SENSORES
Segundo Ristic (1994), sensores são dispositivos que realizam a interface entre
um equipamento eletrônico e o mundo físico. São transdutores responsáveis por
converter uma entrada física ou química num sinal elétrico que possa ser lido,
armazenado ou transmitido.
2.4.1 Classificação dos sensores
Lidar com instrumentação requer familiaridade com diversos conceitos físicos e
químicos na natureza. De maneira geral, todas estas grandezas podem ser divididas em
seis domínios:
24






Térmico: temperatura, calor, fluxo de calor.
Mecânico: força, pressão, velocidade, aceleração, posição.
Químico: concentração, composição, taxa de reação.
Magnético: campo magnético, intensidade, densidade de fluxo.
Radiante: comprimento de onda, polarização, fase.
Elétrico: tensão, corrente, carga.
2.4.2 Parâmetros dos sensores






Sensibilidade absoluta: taxa de mudança do sinal de saída pela mudança no
mensurando.
Sensibilidade relativa: taxa normalizada pelo valor obtido quando o
mensurando vale zero.
Resolução: menor mudança no mensurando que causa variação na saída.
Precisão: taxa de erro máximo na saída pelo fundo de escala, expressa em
porcentagem.
Offset: valor da saída quando o mensurando vale zero.
Ruído: valor aleatório na saída, não relacionado com a entrada.
2.5 MICROCONTROLADOR
O microcontrolador (Figura 5) é um circuito integrado programável com memória e
periféricos de entrada e saída, sua programação permite o uso de diversas funções
como por exemplo comunicação serial e conversão AD.
Figura 5 - Esquemático do Microcontrolador
Fonte: Binghamton University – A Single Chip Microcontroller3.
_______________
3Disponível
em: <http://www.cs.binghamton.edu/~reckert/480/424LECT1_f03.html> Acesso em abr. 2014.
25
Segundo Souza (2005) “... poderíamos definir o microcontrolador como um
‘pequeno’ componente eletrônico, dotado de uma ‘inteligência’ programável, utilizado no
controle de processos lógicos” (SOUZA, 2005, p.21).
A microeletrônica evoluiu muito nos últimos anos possibilitando a produção de
microcontroladores de baixo custo, fato que expandiu o crescimento do uso desses
componentes em várias aplicações.
2.5.1 Conversor analógico digital
O ADC converte uma entrada analógica para um valor de 10 bits, através de
aproximações sucessivas. O valor mínimo representa GND, e o máximo, a tensão no
pino AREF menos 1LSB. Opcionalmente, via software, AVCC ou uma referência interna
de 2.56V pode ser conectada ao pino AVCC (Atmel, 2004)4.
2.5.2 Memória
As memórias são circuitos integrados extremamente importantes nos projetos
eletrônicos digitais em geral devido ao armazenamento temporário ou permanente de
programas e dados (Sedra, 2007).
As memórias podem ser classificas em voláteis e não voláteis. A primeira
armazena informações somente enquanto está alimentada e perde os dados se for
desligada. Já a segunda mantém os dados armazenados mesmo se for desligada.
2.5.1 Comunicação I2C
“O protocolo I2C é um protocolo para comunicação serial com diversos
periféricos, destinado a aplicações de baixo custo e transferência de dados de volume
mediano." (Bezerra, 2004).
_______________
4Disponível
em: <http://www.atmel.com/Images/doc2466.pdf> Acesso em abr. 2014.
26
O I2C foi desenvolvido em 1996, pela Philips. É usado para interconectar uma
ampla gama de dispositivos eletrônicos, como microcontroladores, conversores de
dados e outros circuitos de uso geral.
É possível utilizar vários hardwares ligados no mesmo barramento I2C, pois a
definição de acesso ocorre com o endereçamento via software. Por meio de software
também é possível incluir ou excluir componentes do barramento sem afetar os outros
dispositivos conectados.
Como vantagens do uso do I2C temos o baixo consumo de corrente, baixa
propensão a ruídos, desenvolvimento de firmware simplificado e facilidade no
desenvolvimento de circuitos impressos.
O Barramento I2C, conforme mostrado na Figura 6, possui duas vias. A primeira
via é denominada SCL (Serial Clock Line), na qual é emitida um sinal de clock. A
segunda via é denominada SDA (Serial Data Line), que é responsável pela comunicação
bidirecional de dados.
O sistema que inicia a comunicação é denominado Master, e os demais
componentes são denominados SLAVE. O clock sempre é gerado pelo Master e a troca
de informação ocorre d forma serial. Estas informações são compostas de dados,
endereços e comandos. Deste modo o Master pode realizar comandos de leitura ou de
escrita nos demais periféricos presentes no barramento.
Figura 6 - Exemplo de barramento I2C
Fonte: Silva, Ítallo Santos Lima e, 2012.
Este protocolo foi usado na interface, para a comunicação do microcontrolador
ATmega328P com o relógio de tempo real DS1307.
27
2.5.2 Comunicação SPI
O SPI foi desenvolvido pela Motorola na década de 80. Sendo um protocolo de
dados seriais síncrono, é geralmente usado nos microcontroladores e dispositivos
periféricos. Muitos fabricantes adotaram esse padrão devido sua simplicidade.
A comunicação SPI é gerenciada por um único periférico denominado Master, que
é responsável por enviar ordens aos demais periféricos envolvidos, denominados
Slaves. Os periféricos Slaves devem responder ao Master, ou seja, o Master solicita a
ação e o Slave a executa. Para esta comunicação, é necessária a utilização de quatro
sinais distintos, sendo eles:

SCLK - Clock Serial gerado pelo microcontrolador

MISO (Master IN Slave OUT) - Dados do Slave para Master;

MOSI (Master OUT Slave IN) - Dados do Master para Slave;

SS (Slave Select) - Seleciona qual Slave receberá os dados.
O SCLK é gerado pelo mestre e é utilizado para garantir o sinal síncrono de clock
para a comunicação. O MISO envia dados do periférico Slave para o mestre, e o MOSI
envia os dados do Slave ao Master. O sinal SS permite selecionar qual Slave receberá
os dados.
Este protocolo de comunicação é usado na interface para estabelecer a
comunicação entre o microcontrolador ATmega328P, que é o Master, e o módulo
VM800C, que é o Slave.
2.5.3 Comunicação UART
A
comunicação
serial
denominada
UART
(Universal
Asynchronous
Receiver/Transmitter) é a forma de interface mais comum em circuitos de comunicação
serial (Baldassin, 2013).
Este tipo de comunicação é assíncrono e devem ser usados comandos para fazer
a sincronia da comunicação. Os comandos mais usados são um bit de Start antes dos
bits de dados e um bit de Stop após o envio do dado. Outra forma é utilizar um bit
denominado de paridade para verificação de erros.
28
Há dois métodos que se baseiam em comunicação UART: O RS-232 E RS-422. É
possível configurar a velocidade de comunicação, e o formato de dado conforme a
necessidade do sistema para trocar informações. Isto justifica o fato de ser uma
comunicação universal.
A comunicação UART foi usada no projeto para estabelecer comunicação entre o
chuveiro e a interface, através dos módulos de rádio.
Durante a fase de testes foi estabelecida uma comunicação do chuveiro com o
computador, através dos módulos de rádio, para facilitar a visualização dos dados
provenientes do chuveiro. Isso ajudou na validação do protocolo de comunicação e
programação do firmware da interface. O software gratuito Hercules, mostrado na Figura
7, foi usado para visualizar os dados recebidos na porta serial do computador.
Figura 7 - Programa Hercules
Fonte: o autor, 2014.
29
3
CONCEITOS DE METODOLOGIA
3.1
TOPOLOGIA DO SISTEMA
Por se tratar de uma proposta que envolve medição, controle e atuação, o
sistema desenvolvido pode ser divido em dois: sistema do chuveiro e sistema da
interface. O sistema do chuveiro se refere a parte de hardware e firmware desenvolvida
para ser embutida no chuveiro, a qual será responsável pela medição dos sensores, e
atuação no controle de potência do chuveiro. O sistema da interface se refere a parte de
hardware e firmware desenvolvida para a criação da interface, que tem por objetivo
permitir o usuário controlar de maneira interativa e fácil o chuveiro. A comunicação dos
dois sistemas é feita de modo sem fio, através da utilização de módulos de rádio.
A integração dos sistemas permite que o usuário possa controlar a temperatura
de banho e saber o consumo de energia e água durante o banho. Daí, vem a inteligência
do chuveiro e o tema do projeto, chuveiro inteligente.
As características e as funções de cada um dos sistemas são explicadas nas
sessões seguintes.
30
3.2
DIAGRAMA EM BLOCOS
O projeto conta com um sistema com diversos sensores, circuito de alimentação e
de potência. Para melhor entendimento dos sistemas propostos, foi montado um
diagrama conceitual em blocos, conforme mostrado na Figura 8.
Figura 8 - Diagrama em blocos do projeto proposto
Fonte: o autor, 2014.
31
3.3
DESCRIÇÃO GERAL DO CHUVEIRO
A necessidade de possuir um bom espaço interno e controle eletrônico de
temperatura foi um critério utilizado para a escolha do chuveiro. Isso serviu para facilitar
a adaptação dos componentes elétricos dentro do chuveiro.
O chuveiro escolhido foi o modelo GranDucha, da fabricante nacional FAME. Este
chuveiro possui um sistema eletrônico de controle de temperatura e um espalhador de
água projetado para oferecer maior volume de água. O modelo escolhido funciona em
tensão alternada de 220 V, sua potência nominal é de 7000 W e a potência econômica é
de 2500 W. Sua estrutura interna é mostrada na Figura 9.
Sua eficiência energética é superior a 95%. Na tabela 1, são mostradas
informações do consumo de energia mensal, considerando-se um banho diário de 8
minutos.
Tabela 1 – Consumo de energia mensal do chuveiro Granducha
CONSUMO DE
Consumo
Consumo
ENERGIA
mensal
mensal
MENSAL
mínimo
máximo
Consumo (kWh)
11,14
30,1
10
30
3,0
3,0
Elevação de
Temperatura (ºC)
Vazão (L/min)
Fonte: FAME
Figura 9 - Ilustração da estrutura interna do chuveiro
Fonte: FAME
32
3.3.1 Dissipador de calor do circuito de potência
A corrente calculada para circular nos terminais do triac está na ordem de 32A.
Assim, é necessária uma alternativa para resfriar este semicondutor para que ele
trabalhe em uma temperatura aceitável (menor que 100 ºC). Este foi um fator decisivo na
escolha do modelo de chuveiro para o projeto. O grupo optou por um que já contava
com o controle eletrônico de temperatura e, deste modo, foi possível usar o mesmo
dissipador de calor. Este consiste em uma peça de metal que fica acoplada com o cano
de entrada de água do chuveiro. Ele é resfriado diretamente pela água que passa pelo
cano. Esta peça metálica possui furos para parafusar 2 triacs, conforme é mostrado na
Figura 10.
Figura 10 - Dissipador de calor do circuito de potência
Fonte: o autor, 2014.
33
3.4
DESCRIÇÃO GERAL DO HARDWARE DESENVOLVIDO
3.4.1 Hardware do chuveiro
O hardware do chuveiro foi desenvolvido para integrar os diversos sensores, o
controle de potência e a comunicação através do módulo de rádio.
A Figura 11, abaixo, mostra o diagrama de blocos dos circuitos e sensores
presentes no chuveiro.
Figura 11 - Diagrama de blocos do sistema do chuveiro
Fonte: o autor, 2014.
3.4.1.1 Sensor de tensão
A medição de tensão é um procedimento comum na eletrônica e, usualmente, é
realizado por meio de um conversor analógico digital. Esta conversão permite quantificar
a tensão medida através de níveis digitais, que variam de acordo com a resolução do
conversor. Como será utilizado um microcontrolador para realização de algumas
funções, este também será responsável por realizar a conversão. Um ponto importante é
que o microcontrolador funciona com uma alimentação de 5V e, por isso, só consegue
converter valores de tensão que estejam entre 0V e 5V. Segundo Atmel(2004), é
34
necessário diminuir a discrepância entre o fundo de escalada variável medida e a
alimentação do microcontrolador.
No início havia diversas opções para a construção deste sensor. As duas
principais eram usar um divisor resistivo e a outra, um transformador de tensão, que
abaixaria a tensão de 220V para 12V. A vantagem da primeira é o custo e espaço
reduzido, no entanto, priorizou-se o fator segurança e, então, foi escolhido usar o
transformador, que isola eletricamente o circuito de processamento da rede elétrica.
O transformador usado abaixa a tensão de 220V para 12V AC e, como o
microcontrolador converte apenas valores em um fundo de escala específico, foi
necessário usar um circuito de acondicionamento, que tinha duas funções: reduzir a
amplitude do sinal para menos do que 5Vpp e adicionar um offset do sinal, de modo a
manter este sempre positivo. O circuito de acondicionamento consiste de um
amplificador operacional na configuração inversora e está mostrado na Figura 12.
Figura 12 - Circuito de acondicionamento do sensor de tensão
Fonte: o autor, 2014.
Neste circuito os resistores R1 e R2 são responsáveis pelo ganho, e foram
dimensionados considerando a tensão Vin do trafo igual a 12V RMS, ou seja, 33,94Vpp
(Vrms * 2√2) e a tensão Vout, que deve ser entre 0V e 5V, encontrando um ganho igual
a aproximadamente 0,1. Os resistores escolhidos foram 100KΩ para R1 e 10KΩ para
R2. Com isso foi obtida uma tensão de saída de aproximadamente 3,4Vpp.
O offset do sinal de saída depende da tensão no terminal não inversor, e foi
obtida utilizando R3 igual a 33KΩ e R4 igual a 22KΩ, resultando em uma tensão média
na saída de 2V.
35
3.4.1.2 Sensor de corrente
“Os
transformadores
são
usados
frequentemente
em
aplicações
de
instrumentação para compatibilizar os valores das tensões e correntes com as faixas de
operação de um medidor ou outro instrumento.” (Fitzgerald, 2006)
Foi escolhido, para executar a medição de corrente o transformador de corrente
TZ71L. Este consiste em dois enrolamentos acoplados por um núcleo magnético e
produz em seu enrolamento secundário uma corrente 2500 vezes menor do que a
corrente no primário.
Assim como no sensor de tensão, foi usado um circuito de acondicionamento para
aproveitar melhor o fundo de escala do conversor A/D. Este circuito está descrito na
Figura 13 e consiste primeiramente de um resistor (R5) em paralelo com a saída do TC.
Considerando-se a corrente de saída do TC(Iout) e a resistência R1, calcula-se
VR1=Iout*R1, tensão que será amplificada num amplificador operacional operando nas
mesmas configurações que o circuito de acondicionamento do sensor de tensão. Os
resistores, no entanto, foram projetados para amplificar o sinal, e não atenuar.
Estimou-se, pela potência de 7000W da resistência usada no chuveiro que a
corrente máxima no primário do TC seria de 32A, o que causaria uma corrente de saída
de 36mA pico a pico e uma queda de tensão de 1,7Vpp em R5, que foi dimensionando
em 47Ω. Desse modo, utilizando 10KΩ para R1 e 22KΩ para R2, o ganho do circuito é
2,2 e gera uma tensão de saída de aproximadamente 3,7Vpp. Os resistores R3 e
R4foram dimensionados para um offset na saída de aproximadamente 2V, obtendo-se
68KΩ e 10KΩ respectivamente.
Figura 13 - Circuito de Acondicionamento do Sensor de Corrente
Fonte: o autor, 2014.
36
3.4.1.3 Circuito de detecção de zero
Para realizar o disparo do circuito de potência, é necessário que o sinal do circuito
de controle esteja em sincronia com o sinal da rede elétrica. Para permitir esta sincronia
foi usado um circuito comparador, cuja saída alternava entre 0V e 5V, nos semiciclos
negativo e positivo respectivamente. Este circuito foi feito usando um comparador
LM393. Sua entrada é conectada ao transformador de tensão e sua saída, a um pino de
entrada do microcontrolador. O diagrama está exibido na Figura 14.
Figura 14 - Circuito detector de passagem por zero
Fonte: Datasheet LM393.
3.4.1.4 Circuito de acoplamento óptico
Para que o microcontrolador controle o disparo de tensão no triac é necessário
um circuito de acoplamento. Entre várias opções possíveis foi escolhido o acoplamento
óptico, devido à necessidade de isolamento elétrico entre o circuito de potência e o de
controle. Este circuito funciona por meio de um circuito integrado (MOC3011), que faz a
transmissão do sinal do seu estágio de entrada para o de saída por meio de um feixe
luminoso, excluindo a necessidade de conexão elétrica entre estes dois estágios. O
esquemático do circuito com o triac e o acoplador está descrito na Figura 15. Os
resistores R1 e R2 são limitadores de corrente, na ordem de 200Ω e 470 Ω,
respectivamente. A entrada Vin é ligada ao microcontrolador e as saídas, à carga, em
série com a rede elétrica.
37
Figura 15 - Circuito de Potência
Fonte: o autor, 2014.
3.4.1.5 Sensor de vazão
Para que a medição do consumo de água do chuveiro seja realizada, foi
necessário o uso de um sensor para medir a vazão de água.
Foram realizadas algumas pesquisas para saber os tipos de sensores disponíveis
no mercado e foi escolhido o sensor modelo YF-21 1/2”, mostrado na Figura 16. Este
sensor possui um rotor interno e um sensor de efeito Hall. No momento em que a água
passa por este rotor, é gerado um sinal de onda quadrada cuja frequência é proporcional
à vazão da água.
Segundo a especificação do fabricante, o cálculo da vazão, em litros por minuto,
pode ser aproximado seguindo a fórmula:
Vazão = (número de pulsos / 7,5);
Características:

Tensão mínima de funcionamento: DC 4.5V

Corrente máxima de funcionamento: 15mA (DC 5V)

Tensão de funcionamento: DC 5V~24V

Taxa de vazão: 0~60L/min

Capacidade de carga: ≤10mA (DC 5V)

Temperatura de operação: ≤80°C

Temperatura do líquido: ≤120°C

Umidade de operação: 35%～90%RH

Pressão da água: ≤2.0MPa
38

Temperatura de armazenamento: -25 °C～+80°C

Umidade de armazenamento: 25%～95%RH
Figura 16 - Sensor de vazão de água
Fonte: SeeedStudio– G1/2" Water Flow Sensor5.
Considerando que o chuveiro tem uma vazão de 3 a 5L/min e uma pressão
inferior a 2MPa, este sensor é adequado. Ele foi colocado na parte interna do chuveiro,
na saída da câmara quente de água. O sensor é lido constantemente pelo
microcontrolador ATmega8 através de uma porta digital e é necessário um resistor de
pull-up para a leitura correta. O microcontrolador trata o sinal do sensor e envia a vazão
lida para a interface a cada um segundo, permitindo que o usuário possa saber o
consumo de água de cada banho.
3.4.1.6 Sensor de temperatura
Para realizar o controle digital de temperatura foi necessária a escolha de um
sensor de temperatura adequado para ficar dentro da caixa de passagem de água do
chuveiro. Devido a ficar em contato direto com a água, este sensor deve possuir uma
boa isolação, além suportar altas temperaturas.
Após serem realizadas algumas pesquisas dos principais sensores de
temperatura disponíveis no mercado, foi escolhido um circuito integrado de medição.
_______________
5Disponível
em: <http://www.robotshop.com/en/seeedstudio-water-flow-sensor.html> Acesso em abr. 2014.
39
Há no mercado uma grande quantidade de circuitos integrados projetados
especificamente para funcionar como sensores de temperatura. Estes tipos de sensores
geralmente possuem circuitos de tratamento de sinal, que realizam, por exemplo, a
amplificação, a filtragem e a compensação do sinal. Estes recursos permitem uma saída
de tensão adequada, de modo que seja possível obter uma resposta linear, com boa
precisão.
Um dos sensores mais populares deste tipo de aplicação é o LM35, fabricado
pela Texas Instruments. Esse sensor tem uma faixa de operação que vai de -55°C a
+150°C, suportando a faixa de temperatura de trabalho de um chuveiro, que vai desde a
temperatura ambiente até 40 ºC aproximadamente. Além disso, possui uma relação
linear entre temperatura e tensão de saída de 10mV/°C e uma precisão garantida pelo
fabricante de 0,25°C.
O sensor de temperatura LM35 que será usado tem encapsulamento “TO-92”,
conforme mostra a Figura 17, o que facilita sua colocação dentro câmara de água do
chuveiro. Pode ser alimentado com tensões que variam de 4V e 30V, e sua saída (V out)
será conectada a um pino de ADC do microcontrolador, que realizará a conversão de
tensão em temperatura.
Figura 17 - Diagrama de conexão LM35
Fonte: Texas Instruments – LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors.
3.4.1.7 Microcontrolador ATmega8
Com todo o sistema de medição definido, se torna necessário definir o
microprocessador mais adequado para controlar e gerenciar toda rotina necessária para
40
o funcionamento correto do projeto. É por meio dele que se dará a inteligência do
chuveiro.
O microcontrolador escolhido foi o ATmega8. A sua escolha se deve ao fato deste
microcontrolador possuir fácil manipulação de hardware e de software, podendo ser
programado em linguagem C, além de ter baixo custo e ser de fácil aquisição.
“O ATmega8 é um microcontrolador de baixa potência do tipo CMOS de 8
bits baseado na aprimorada arquitetura RISC AVR. Executando várias instruções
em um único ciclo de clock, o Atmega8 alcança uma capacidade aproximada de
1 MIPS por MHz, permitindo ao projetista otimizar o sistema com um baixo
consumo de energia em função da velocidade de processo” (Atmel, 2006).
Este microcontrolador foi desenvolvido pela empresa ATMEL. Apresenta uma
ótima eficiência e opera com alimentação de 5V. Outras funcionalidades que ele possui
são memória FLASH E EEPROM, interface de comunicação UART, I2C e SPI.
3.4.1.8 Módulo Xbee
Foi decidido que a interface homem máquina iria se comunicar sem fio com o
chuveiro. A maneira mais acessível aos integrantes do grupo de concretizar esta
demanda foi utilizando um módulo de rádio XBee, conforme mostrado na Figura 18. Este
módulo vem de fábrica operando no modo transparente. Neste modo, há uma conexão
ponto a ponto entre dois rádios e, quando conectados, cada um a um microcontrolador,
substituem uma conexão elétrica entre o TX de um e o RX do outro.
Figura 18 - Módulo Xbee
Fonte: RHYDOLABZ, 2014.
41
3.4.2 Hardware da interface
O objetivo da interface é disponibilizar ao usuário um controle de fácil utilização
das configurações do chuveiro, além de possibilitar a visualização de dados como o
tempo do banho, o consumo de água e o de energia.
Foi desenvolvido um hardware externo, para se comunicar com o chuveiro por
meio
de
comunicação
sem fio.
Esse
hardware
possui um
microcontrolador
ATmega328P, um módulo de rádio Xbee uma placa de desenvolvimento VM800C. A
Figura 19, abaixo, mostra o diagrama de blocos do circuito desenvolvido:
Figura 19 - Diagrama de blocos do circuito da Interface
Fonte: o autor, 2014.
3.4.2.1 Microcontrolador ATmega328P
O microprocessador escolhido inicialmente para controlar e gerenciar o módulo
VM800C foi o ATmega16. Porém, com aumento das telas gráficas e consequente
aumento do código de programação, foi necessário uma memória flash maior do que
16Kbytes. Devido a este motivo, o microprocessador foi trocado para o ATmega328P,
que possui 32Kbtes de memória flash.
42
Devido ser da mesma família de microprocessadores, as características do
ATmega328P são muito semelhantes as características do ATmega8, já citado no
hardware do chuveiro.
3.4.2.2 Relógio de tempo real
Para armazenar o horário, data e informações de perfis de usuários foi feito um
módulo que tem como base o circuito integrado DS1307 que é um relógio de tempo real
(RTC). Este circuito integrado conta e armazena segundos, minutos, horas, dia, data,
mês e ano. A data pode ser ajustada automaticamente para meses com menos de 31
dias, no final do mês, e há correções para o ano bissexto. O relógio pode operar tanto no
formato 12 horas com indicador de AM / PM ou de 24 horas.
O DS1307 comunica-se com o ATmega328P através do protocolo I2C. Além das
funções de relógio e calendário, ele possui 56 bytes de memória livre para serem usados
para armazenar dados. Esta memória foi usada no projeto para armazenar os perfis dos
usuários.
O DS1307 é alimentado com 5V, porém ele possui um circuito de detecção para
verificar se alimentação for interrompida e passar a ser alimentado pela bateria de lítio
(CR2025), automaticamente. Seu consumo de energia é baixo, o que faz com que ele
possa manter os dados por muito tempo.
Figura 20 - Registradores do circuito integrado DS1307
Fonte: Maxim Integrated.
43
Figura 21- Circuito de aplicação típico DS1307
Fonte: Maxim Integrated.
3.4.2.3 Módulo de desenvolvimento VM800C
O módulo de desenvolvimento VM800C, é fabricado pela FTDI, empresa que
oferece uma ampla gama de produtos, incluindo módulos, cabos e circuitos integrados
para sistemas de conectividade USB, e controladores gráficos. Esse módulo é usado
para desenvolver aplicações com o controlador gráfico FT800 Embedded Video Engine
(EVE).
A escolha desse módulo se deve ao fato de ele proporcionar gráficos de alta
qualidade e facilitar o desenvolvimento de uma interface gráfica do usuário (GUI).
O módulo vem pronto para ser usado com módulos LCD sensíveis ao toque, além
de possuir amplificadores de som e alto-falantes integrados e funcionar com alimentação
de 3,3V ou 5V.Todas as funções de gráfico, áudio e toque do chip FT800 podem ser
acessadas através do módulo.
Seu controle é feito através do protocolo de comunicação SPI. O ATmega328P
funciona em modo Master e o módulo VM800C, em modo Slave.
O módulo que foi usado no projeto é o VM800C50A, que conta com tela LCD 5,0”
sensível ao toque, com resolução WQVGA(480x272), mostrado na Figura 22.
44
Figura 22 - Módulo VM800C
Fonte: FTDI, 2014.
3.4.2.4 Controlador gráfico FT800
O FT800 Embedded Video Engine (EVE), combina três funções: controlador
gráfico, processamento de áudio e controlador de toque resistivo. Todas essas funções
estão presentes no mesmo chip, o que reduz custos de produção, gera economia
energia e reduz espaço durante o desenvolvimento de um circuito.
Com uma arquitetura avançada de orientação a objetos, sua comunicação com
um microcontrolador pode ser feita através dos protocolos de comunicação SPI ou I2C.
Através disso é possível usar microcontroladores de baixo custo para gerenciar uma
interface gráfica.
Conforme mostrado na Figura 23, este chip possui funções gráficas incorporadas
para facilitar a programação de objetos gráficos complexos durante o desenvolvimento
de aplicações, sintetizador de som embutido, com sons pré-programados, 256Kbytes de
memória interna e baixo consumo de energia.
45
Figura 23 - Diagrama de blocos funcional do FT800
Fonte: FTDI, 2014.
3.5
DESCRIÇÃO GERAL DO FIRMWARE DESENVOLVIDO
3.5.1 Firmware do chuveiro
O firmware do chuveiro tem o objetivo de:

Realizar a leitura dos sensores e calcular os parâmetros vazão, potência média e
temperatura;

Enviar os parâmetros calculados à interface.
O firmware do chuveiro consiste em um laço que realiza leituras dos sensores de
tensão, corrente, vazão, temperatura, detecção de zero, controla o circuito de potência e
se comunica com o microcontrolador da interface pelo módulo Xbee.
Os sensores de tensão e corrente são amostrados em uma taxa de 3840Hz, ou
seja, em 64 amostras por ciclo da rede elétrica. Com estes dados é calculada a potência
instantânea, que é somada durante 60 ciclos da rede e, então, enviada à interface. Para
que a frequência de amostragem fosse precisa, a leitura dos sensores foi feita por meio
de interrupções. O comando para executar uma leitura é realizado pela interrupção do
46
timer, que é disparada a cada aproximadamente 130µS. Quando a conversão termina,
uma outra interrupção é disparada pelo conversor A/D. A cada 2 conversões (uma de
tensão e uma de corrente) os valores obtidos são multiplicados e calcula-se a potência
instantânea. Ao final de 3840 potências instantâneas calculadas a função principal envia
o valor resultante à interface. Além disso, a cada segundo, a função principal desabilita
temporariamente as interrupções para ler a temperatura instantânea e, após obter este
valor, faz alguma variação necessária no pulso enviado ao circuito de potência para que
a temperatura esteja conforme o esperado e envia os valores calculados de potência,
vazão e temperatura instantânea à interface.
3.5.2 Firmware da Interface
O firmware da interface tem o objetivo de:

Enviar a temperatura de banho escolhida pelo usuário ao chuveiro;

Receber as informações de temperatura, vazão e potência do chuveiro;

Comunicar-se com o módulo VM800C;

Mostrar o consumo de água e energia durante e após o banho para o usuário.

Alertar quando acabar o tempo de banho, que foi definido pelo usuário.
Por meio da interface é possível cadastrar até quatro usuários diferentes, de
modo que cada um tenha temperatura e tempo de banho diferentes.
Os primeiros testes de firmware foram feitos para estabelecer a comunicação do
módulo VM800C e o microntrolador, através da SPI. Com o sucesso destes testes,
seguiu-se para a criação da interface gráfica do usuário, que foi feita em duas etapas. A
primeira etapa consistiu no planejamento e desenho das telas de interação do usuário
no software FTDI EVE Screen Editor. A segunda etapa foi juntar o código das telas
desenhadas com a lógica de programação necessária para dar funcionalidade aos
elementos desenhados. Nessa etapa foram feitas as lógicas para trocar de telas, salvar
os dados de cada usuário e transmitir a temperatura de banho escolhida para o
chuveiro.
O firmware da interface tem como base uma máquina de estados finito. O
firmware consiste basicamente em um laço infinito, de modo que o código fique sempre
47
sendo executado, atualizando as informações da tela, conforme mostrado no fluxograma
da Figura 24. Cada tela que é mostrada possui um número para identificação. Esse
número fica armazenado em uma variável. Quando a variável muda, ou seja, recebe
outro número de tela, a tela visualizada pelo usuário é alterada.
Figura 24 - Fluxograma mudança de tela
Fonte: o autor, 2014.
O firmware também conta com um código, que alerta quando acabou o tempo de
banho definido pelo usuário. Esse código foi desenvolvido utilizando uma interrupção,
que é ativada quando começa o banho, e inicia a contagem de tempo. Se o usuário
exceder o tempo de banho, é mostrada uma tela de alerta com um aviso sonoro, que
pode ser desativada no momento que o usuário tocar a tela.
3.5.2.1 Desenvolvimento gráfico das telas
A FTDI disponibiliza um conjunto de ferramentas e utilidades para o
desenvolvimento de aplicações com o chip FT800. Uma dessas ferramentas é o FTDI
EVE Screen Editor, mostrado na Figura 25. Este software foi desenvolvido para permitir
aos usuários a criar as interfaces gráficas de forma fácil e rápida, sem a necessidade da
utilização de hardware. É possível criá-las escrevendo as instruções ou através do estilo
48
“arraste e solte”, com a geração automática das instruções. Todas as alterações feitas
podem ser vistas de forma imediata na tela.
As telas gráficas desenvolvidas para o projeto foram feitas através deste software,
que acabou agilizando o desenvolvimento. No total foram criadas oito telas gráficas, que
podem ser observadas no Apêndice G ao Apêndice M, deste documento.
Figura 25 - FTDI EVE Screen Editor
Fonte: FTDI, 2014.
3.5.3 Protocolo de comunicação
Para realizar a transmissão de dados entre a interface e o chuveiro, foi necessário
a criação de um protocolo de comunicação específico.
3.5.3.1
Chuveiro

Transmissão
O chuveiro envia a interface as informações de: temperatura da saída de água,
vazão, potência consumida, um sinal para informar se acabou o banho e pôr fim a soma
das variáveis para a interface checar se a transmissão chegou corretamente.
49

Recepção
O chuveiro espera sempre receber uma temperatura de banho, que é enviada
pela interface quando acaba o banho ou quando o usuário troca de temperatura de
banho.
3.5.3.2
Interface

Transmissão
A interface fica constantemente enviando as informações de temperatura ao
chuveiro, enquanto não começar o banho.

Recepção
A interface possui uma interrupção de recepção serial habilitada, ou seja, ela
verifica constantemente se algum dado foi recebido pela serial. Caso algum dado seja
recebido, a interrupção é disparada e é executado um código para receber corretamente
os dados do chuveiro.
Através do protocolo a interface recebe as informações de: temperatura da saída
de água, vazão, potência consumida, sinal para informar se acabou o banho e pôr fim a
soma das variáveis, onde realizada a checagem se todos as informações recebidas
estão corretas. Caso a soma das variáveis recebidas não corresponda a soma enviada
pelo chuveiro, tudo o que foi recebido é descartado e o processo de recebimento
começa novamente.
3.6
ENSAIOS REALIZADOS
Na medida em que o hardware foi sendo desenvolvido, algumas estratégias foram
tomadas para manter o projeto funcionando, independente de quantas funções
estivessem sendo executadas. Por exemplo, ao terminar o hardware de aquisição do
sinal do sensor de tensão, este hardware foi testado com um firmware de testes (que
será explicado na sequência). O segundo sensor foi o de corrente, e o firmware de
testes foi modificado para realizar a leitura da tensão e da corrente simultaneamente.
50
Mais tarde, realizar o cálculo da potência, que já era possível com estes dois sensores e
assim por diante.
Na sequência será explicado cada um dos procedimentos de teste utilizados para
garantir o funcionamento dos circuitos.
3.6.1 Ensaio do sensor de tensão
Como já foi dito, o primeiro sensor a ser testado foi o de tensão. Este teste foi
realizado utilizando um pino do ADC do microcontrolador ligado à saída do circuito de
acondicionamento do sensor de tensão. A rotina do microcontrolador consistiu em
calcular o valor RMS da tensão amostrada e enviar ao computador por transmissão
serial. Com um Variac, a tensão na entrada do circuito foi sendo modificada e seus
respectivos valores de tensão na entrada e saída do circuito, anotados. As equações 1 e
2 apresentam as equações para se obter o valor RMS de maneira contínua e discreta
respectivamente. A equação 2 foi a utilizada pelo microcontrolador.
Figura 26 - Equações para obtenção do valor RMS de forma contínua e discreta
Fonte: o autor, 2014.
3.6.2 Ensaio do sensor de corrente
Para testar o sensor de corrente, foi utilizado o mesmo sistema do sensor de
tensão, a diferença é que não havia uma fonte de corrente variável. Assim, mediu-se a
corrente de um equipamento, modificando-se o número de voltas do enrolamento
primário do TC, simulando-se várias correntes. Os sinais foram amostrados pelo
microcontrolador e enviados ao computador por transmissão serial. Como os sinais
tensão e corrente têm características muito parecidas, foi possível utilizar o mesmo
código de testes.
51
3.6.3 Ensaio do sensor de vazão
O sensor de vazão tem em sua saída uma onda quadrada que oscila entre 0V e
5V, sendo que sua frequência oscila de forma proporcional à vazão medida. Desse
modo a rotina de teste é um simples laço que conta quantas vezes em 1 segundo a
tensão no pino mudou. Para obter uma relação entre frequência e vazão, foi medido o
número de pulsos até que um galão de 20L de água enchesse completamente e, então,
a partir da vazão total, calculada a instantânea.
3.6.4 Ensaio do detector de zero
Esse circuito é responsável apenas por indicar o momento em que a onda muda
de semiciclo (positivo e negativo). O teste realizado foi ligar o circuito à saída do
transformador de tensão e medir com o auxílio de um osciloscópio seu sinal de entrada
e seu sinal de saída e, então, verificar se a onda estava correta.
3.6.5 Ensaio do módulo XBEE
O módulo XBee, operando no modo transparente, substitui uma conexão elétrica
entre os pinos TX e RX dos microcontroladores. Por funcionar desta maneira, sua
funcionalidade foi testada executando um simples código de enviar um caractere de um
microcontrolador para o computador quando um byte específico, enviado pelo
computador, fosse recebido na porta serial. Ao comprovar que o código estava
funcionando, a ligação computador - microcontrolador foi retirada e substituída pelo
módulo.
3.6.6 Ensaio da comunicação SPI da interface
A comunicação entre o microcontrolador da interface e a tela touchscreen é
realizada por meio de comunicação SPI. Para estabelecer esta conexão, vários
processos de testes foram realizados, utilizando o osciloscópio para analisar os bytes
que trafegavam pelo barramento e descobrir o que estava errado e realizar as devidas
manutenções. Quando a comunicação foi estabelecida, os testes se resumiram a
52
firmware. Determinados comandos eram executados e o comportamento da tela,
observado, até que se compreendesse completamente o que cada função fazia.
3.6.7 Ensaio do circuito de potência
Por ser uma etapa muito importante, o circuito de potência foi testado em mais de
uma etapa e, em cada teste, consistiu a avaliação de uma característica.
3.6.7.1 Funcionamento
Esta etapa consistiu avaliar se o pulso enviado pelo microcontrolador estava ou
não causando o disparo do triac no circuito de potência. Foi realizada colocando uma
lâmpada incandescente no lugar onde seria inserida a resistência do chuveiro. Pela
variação do brilho da lâmpada foi possível verificar a integridade do circuito.
3.6.7.2 Ângulo de disparo
Para controlar a tensão na carga, além de garantir que o pulso esteja causando
variação de tensão na resistência é necessário verificar se o ângulo de disparo está
posicionado no local correto, ou seja, se a tensão eficaz na saída do circuito está
conforme o planejado. Para isso é necessário verificar a sincronia entre o pulso de
disparo e a onda da rede elétrica. Este teste foi realizado também com uma carga
resistiva na saída. Entretanto, foi usado um osciloscópio para analisar se o pulso estava
acontecendo no momento correto. A resolução do pulso é de aproximadamente 50
posições em um semiciclo e, dessa maneira, foi-se incrementando a posição do pulso de
0% a 100% e verificando-se a forma de onda com o osciloscópio.
3.6.8 Ensaio do protocolo de comunicação
Foi decidido que a IHM enviaria alguns parâmetros ao chuveiro e receberia outros.
Para conseguir efetuar esta parte com sucesso foram necessários testes constantes que
exigiram as mais variadas alternativas como utilizar a própria tela touchscreen, displays
LCD ou terminais de visualização de dados da porta serial no computador. A maior parte
das vezes o protocolo foi testado utilizando firmwares que realizavam determinadas
53
ações quando um botão fosse pressionado. Por exemplo, em determinado momento, um
microcontrolador foi conectado a um display LCD e a alguns pushbutons. Quando o
botão 1 fosse pressionado, o microcontrolador enviaria por transmissão UART o Start
Byte, caso fosse apertado o botão 2, enviaria o valor 10, 20 para o botão 3 e 30 para o
botão 4. O outro microcontrolador por sua vez, enviaria de volta o caractere ‘a’, ao
receber na sequência o Start Byte e o valor 10, ‘b’ ao receber Start Byte e o valor 20 e ‘c’
para Start Byte e o valor 30. Dessa maneira, foi possível perceber se o protocolo estava
funcionando. À medida que o protocolo foi ficando mais complexo, outros testes foram
realizados, utilizando a mesma lógica.
3.7
RESULTADOS DOS ENSAIOS
Os resultados obtidos com os testes realizados foram os seguintes:
3.7.1 Sensor de tensão
O gráfico presente na figura 27 mostra a relação obtida através do teste com a
variação da tensão AC na entrada do sensor de tensão. No eixo Y temos a tensão
medida com um voltímetro e no eixo X, a tensão calculada pelo circuito.
Figura 27 - Resposta do teste do sensor de tensão
Fonte: o autor, 2014.
54
3.7.2 Sensor de corrente
A resposta do sensor de corrente foi obtida com menos pontos de análise devido
à maior dificuldade de se fazer o teste, mesmo assim, é possível verificar sua linearidade
na Figura 28.
Figura 28 - Resposta do teste do sensor de corrente
Fonte: o autor, 2014.
3.7.3 Sensor de vazão
Para o teste de vazão foram feitos dois ensaios, em que o microcontrolador
deveria contar a quantidade de pulsos no sensor de vazão até que um recipiente de 20
litros enchesse completamente. A partir do número de pulsos, o microcontrolador
calculou a quantidade total de água e retornou ao computador. Os valores obtidos nos
ensaios foram 20,02 litros e 19,75 litros, respectivamente.
55
3.7.4 Detector de zero
A onda obtida no teste do circuito detector de zero está mostrada na Figura 29.
Figura 29 - Teste do detector de zero
Fonte: o autor, 2014.
Desta forma ele funcionou conforme o esperado. No semiciclo positivo permanece
em zero e no semiciclo negativo permanece em 5V.
3.7.5 Módulo XBEE
Os resultados obtidos com os testes do módulo XBee foram positivos, ou seja, a
comunicação foi estabelecida e os dados de teste, transmitidos.
3.7.6 Comunicação SPI da interface
Após diversas amostragens de onda com o osciloscópio foi possível estabelecer a
comunicação correta entre a tela touchscreen e o microcontrolador. A comprovação veio
quando se viu os comandos digitados no firmware aparecendo na tela.
56
3.7.7 Circuito de potência
Foi percebida a variação de brilho da lâmpada ao enviar os pulsos do
microcontrolador ao circuito de potência, confirmando seu funcionamento.
Quanto aos outros testes, verificou-se a onda característica de tensão alternada
em carga controlada por triac, como é possível ver na Figura 30.
Figura 30 - Onda da tensão na carga
Fonte: o autor, 2014.
3.7.8 Protocolo de comunicação
Na
medida
que
o
protocolo
foi
sendo
desenvolvido,
verificou-se
sua
funcionalidade, ao receber os bytes de teste na tela touchscreen, no monitor de porta
serial do computador ou no display de LCD.
3.8
CRONOGRAMA
Com vistas à organização do projeto, foi desenvolvido um cronograma para o
primeiro e segundo semestre, conforme mostram as figuras 31 e 32, com as principais
etapas a serem cumpridas.
57
Figura 31 - Cronograma do 1º semestre de 2014
Fonte: o autor, 2014.
Figura 32 - Cronograma do 2º semestre de 2014
Fonte: o autor, 2014.
58
4
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Para o desenvolvimento deste projeto foi necessário o uso de diversos
conhecimentos adquiridos durante todo o curso de graduação, além de outros
conhecimentos, teóricos ou práticos, que foram agregados à experiência dos integrantes
do grupo. Apesar de ter o foco no ambiente residencial, o projeto pode ser usado em
outros setores e possibilita o surgimento de novas ideias e novas pesquisas.
O projeto visa, como produto final, um componente de fácil manuseio para o
usuário, aliando bem estar e tecnologia de forma sustentável, contribuindo na
conscientização da necessidade de se economizar água e energia.
Como o projeto usou diversos sensores, foram realizadas diversas pesquisas
para escolhe-los, apresentando justificativas de viabilidade econômica, acadêmica ou
funcional.
As pesquisas foram importantes para absorção de uma grande quantidade de
conceitos, essenciais para o desenvolvimento do projeto, possibilitando também uma
visão ampla de opções disponíveis para a realização do mesmo
Contando com várias etapas desenvolvimento, primeiramente foram feitos testes
individuais, com o desenvolvimento de pequenos protótipos, para testar cada um dos
sensores e o circuito de potência, para então serem feitos os testes em conjunto e,
posteriormente, os testes finais. Essa forma de trabalho facilitou a diminuição de erros
durante o desenvolvimento.
Os módulos de rádio Xbee ajudaram muito para estabelecer a comunicação sem
fio entre os dois sistemas e seu uso facilitou os testes.
Com o hardware e firmware do chuveiro pronto e testado, foi possível embuti-lo
no chuveiro para então serem realizados os testes finais e últimos ajustes necessários.
Uma das etapas mais importantes do projeto foi a de testes de validação, em que
foram testados os sensores e o protótipo final, sendo possível verificar o funcionamento
de ambos.
Foram encontradas diversas dificuldades no decorrer do projeto. Erros que não
imaginamos que teríamos surgiram durante o percurso, o que nos levou a desperdiçar
um bom tempo para resolvê-los. Houve problemas de vazamento de água, quando
foram feitas adaptações mecânicas para embutir os circuitos eletrônicos e os sensores
no chuveiro.
59
A apresentação do projeto não foi feita de forma integral, devido a universidade
não possuir laboratórios com instalações de tomadas específicas e saída de água, onde
pudesse ser colocado o chuveiro.
O desenvolvimento e a validação hardware do chuveiro foi um grande desafio,
principalmente a parte que se refere a medição do consumo de energia.
4.1
SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS
Tendo em vista a possibilidade de aplicação comercial como produto, é possível
fazer várias melhorias para serem implantadas.
Na parte do chuveiro, se torna necessário fazer um hardware mais integrado, com
uma fonte de alimentação embutida, para alimentação do microcontrolador. Outra
sugestão é realizar mais testes com o chuveiro em funcionamento, para garantir que
tudo esteja funcionando de forma correta.
Um outro fator importante para aplicação comercial, seria buscar métodos para
reduzir os custos do produto, otimizando o circuito do hardware presente no chuveiro e
na interface.
A interface pode receber recursos mais interativos, com o intuito de incentivar o
usuário a realizar economia de água e energia durante o banho. Um desses recursos
que poderiam ser implantados, é um histórico anual do consumo de água e energia.
Esse histórico possibilitaria que cada usuário acompanhasse seu consumo e gasto
diário, semanal, mensal e até mesmo anual de energia ou de água.
60
REFERÊNCIAS
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fundamentos de medidas. 2. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010-2011. 2 v. ISBN 978-85216-1754-9
BEGA, Egídio Alberto. Instrumentação industrial. 2. ed. Rio de Janeiro: Interciência,
2006. xviii, 583 p. ISBN 85-7193-137-2
FITZGERALD, A. E.; KINGSLEY, Charles; UMANS, Stephen D. Máquinas
elétricas: com introdução à eletrônica de potência. Porto Alegre: Bookman, 2006. xiii,
648 p. ISBN 978-85-60031-04-7
AHMED, Ashfaq. Eletrônica de potência. São Paulo: Pearson, c2000. 479 p. ISBN 97885-87918-03-1
RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos e aplicações. São Paulo:
Makron Books, c1999. 828 p. ISBN 85-346-0598-X
SEDRA, Adeal S. 2007.Microeletrônica. São Paulo: Pearson, 2007. 621.3815.
RISTIC, L.SENSOR technology and devices. Boston: Artech House, 1994. 524 p. ISBN
0-89006-532-2
PRADO, Racine TA, and Orestes M. Gonçalves. Water heating through electric
shower and energy demand. Energy and buildings 29.1 (1998): 77-82.
SABESP. Uso racional da água. 2010 Disponível em: <http://goo.gl/sS3m8c>. Acesso
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BALDASSIN, Alexandro. 2013. Microprocessadores II - Serial. São Paulo:
Universidade de São Paulo, 2013. EMA911915.
SOUZA, David José de. Desbravando o PIC: ampliado e atualizado para
PIC16F628A. São Paulo: Érica, 2005.
SILVA, Ítalo Santos Lima e. Aplicações do protocolo I²C em sistemas
microcontrolados. 2012. Palmas: VIICONNEPI, 2012.
CHAPLIN, C. Chaplin - Vida e Pensamentos.Editora Martin Claret.1997.
BEZERRA, Prof. Ph.D. Eduardo Augusto. Estudo sobre o microcontrolador
8051 para o gerenciamento de operações em cartões SmartCard. Porto Alegre:
Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, 2004.
BINGHAMTON UNIVERSITY. Introduction to the Microcontroller Part of the
Course.2003 Disponível em:
<http://www.cs.binghamton.edu/~reckert/480/424LECT1_f03.html>. Acesso em: 23 abr.
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ABINEE. História do banho.2013 Disponível em:
<http://www.chuveiro.abinee.org.br/hist1.htm>. Acesso em: 06 jul. 2014.
61
FEEC - UNICAMP. TIRISTORES e RETIFICADORES CONTROLADOS.2013 Disponível
em: < http://goo.gl/npHWc6 >. Acesso em: 06 jun. 2014.
ATMEL. AT91 application note.2004 Disponível em:
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MAXIM INTEGRATED. DS1307 64 x 8, Serial, I2C Real-Time Clock.2008 Disponível
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ATMEL. AT91 application note.2004 Disponível em:
<http://www.atmel.com/Images/doc6039.pdf>. Acesso em: 23 abr. 2014.
62
APÊNDICE A – ESQUEMÁTICO DA PLACA PRINCIPAL DO CHUVEIRO
Figura 33 - Esquemático da placa principal do chuveiro
Fonte: o autor, 2014.
63
APÊNDICE B – PLACA PRINCIPAL DO CHUVEIRO
Figura 34 - Placa principal do chuveiro
Fonte: o autor, 2014.
APÊNDICE C – CIRCUITO DE ACONDICIONAMENTO DO SENSOR DE TENSÃO E
DE CORRENTE
Figura 35 - Circuito de acondicionamento do sensor de tensão e de corrente
Fonte: o autor, 2014.
64
APÊNDICE D – PLACA DO DETECTOR DE ZERO
Figura 36 - Placa do detector de zero
Fonte: o autor, 2014.
APÊNDICE E – CHUVEIRO COM O HARDWARE E SENSORES INSTALADOS
Figura 37 - Chuveiro com o hardware e sensores instalados
Fonte: o autor, 2014.
65
APÊNDICE F – HARDWARE DA INTERFACE
Figura 38 - Hardware da interface
Fonte: o autor, 2014.
APÊNDICE G – TELA GRÁFICA DE INICIALIZAÇÃO DA INTERFACE
Figura 39 – Tela gráfica de inicialização da interface
Fonte: o autor, 2014.
66
APÊNDICE H – TELAS GRÁFICAS DE CADASTRO E VISULIZAÇÃO DE USUÁRIOS
Figura 40 – Telas gráficas de cadastro e visualização de usuários
Fonte: o autor, 2014.
67
APÊNDICE I – TELAS GRÁFICAS DO MENU DO USUÁRIO
Figura 41 – Telas gráficas do menu do usuário
Fonte: o autor, 2014.
68
APÊNDICE J – TELAS GRÁFICAS DE CONFIGURAÇÕES E VISUALIZAÇÃO DE
CONSUMO
Figura 42 – Telas gráficas de configurações e visualização de consumo
Fonte: o autor, 2014.
69
APÊNDICE L – TELA GRÁFICA DE AJUSTE DE HORA E DATA
Figura 43 – Tela gráfica de ajuste de hora e data
Fonte: o autor, 2014.
APÊNDICE M – TELA GRÁFICA DE ALERTA DO TEMPO DE BANHO
Figura 44 – Tela gráfica de alerta do tempo de banho
Fonte: o autor, 2014.