bafômetro eletrônico controlado pela plataforma arduino uno

BAFÔMETRO ELETRÔNICO CONTROLADO PELA PLATAFORMA
ARDUINO UNO
Carlos de Oliveira Santiago Filho1, Cleymisom Queiroz da Trindade2, Daniel Vitor Domont Ferreira3,
Carlos Alberto Tenório de Carvalho Júnior 4, Carlos Vinicius da Costa Ramos5, Ciro José Egoavil
Montero6, Júlio Sancho Linhares Teixeira Militão7, Wilson Sacchi Peternele8
Abstract  On a breathalyzer measures the amount of
alcohol per liter of alveolar air, ie air from the lungs. The
project aims at the development of a breathalyzer, using the
sensor of gas MQ-3, a drive microcontroller Arduino Uno
and a liquid crystal display. For each concentration of
sensor alcohol determines a value displayed on the serial
port 'COM3' Arduino Uno with a range from 0 to 1023, this
variation corresponds to the output voltage, ranging from 0
to 5 volts of the circuit for each concentration. The
concentration is measured appears on the LCD, determining
the concentration present in the air.
Index Terms — Bafômetro, Sensor MQ-3.
INTRODUÇÃO
Bafômetro ou etilômetro é um aparelho que permite
determinar a concentração de bebida alcoólica em uma
pessoa, analisando o ar exalado dos pulmões.[1]
Atualmente o aparelho é utilizado por diversas forças
policiais em todo o mundo para medir o nível alcoólico em
que motoristas se encontram. O aparelho foi criado em 1974
pelo cientista britânico Tom Parry Jones, desde então o
aparelho vem sendo implementado, na parte eletrônica
quanto na parte química quantitativa. Junto com a evolução
do aparelho as regras também mudaram, no Brasil a Lei
Complementar 11.705, mais conhecida como "Lei Seca",
exemplifica que conduzir veículo sob efeito de álcool, rende
multa de R$:957,70 reais, para os que apresentarem
concentração maior que de 0,1 a 0,29 mg de álcool por litro
de ar expelido dos pulmões, e suspensão do direito de dirigir
por doze meses.[2]
A concentração de álcool no sangue é medida por uma
correlação entre a concentração de ar expelido pelo pulmão e
a concentração de álcool presente no sangue, por exemplo:
para uma concentração de 0, 1 mg/l de ar alveolar haverá
uma concentração de 0, 2mg/l (0,2 gramas de álcool em 1
litro de sangue).[3]
O projeto de bafômetro eletrônico realizado nesse
trabalho foi idealizado com o intuito de produção de baixo
custo, operando medições de concentrações de álcool no ar,
relativamente razoáveis, através de uma função aproximada.
O projeto tem por objetivo o desenvolvimento de um
bafômetro, utilizando o sensor de gás MQ-3, uma unidade
micro controlador Arduino Uno e um display de cristal
líquido. Visando a simplicidade do projeto, aliado à
aproximação das medidas obtidas com as leituras, a
graduação alcoólica lida é exibida no display e a calibração
foi realizada através de simulações com diferentes
concentrações de álcool.
OBJETIVOS



Produção de um bafômetro controlado pela
plataforma Arduino;
Realização de medições de concentrações de álcool
no ar com uma boa aproximação dos valores reais
das concentrações;
Exibir o valor aferido em um Display de Cristal
Líquido.
METODOLOGIA
1
Carlos de Oliveira Santiago Filho, Acadêmico de Engenharia Elétrica da UNIR - Universidade Federal de Rondônia, Campus - BR 364, Km 9,5
CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
2
Cleymisom Queiroz da Trindade , Acadêmico de Engenharia Elétrica da UNIR - Universidade Federal de Rondônia, Campus - BR 364, Km 9,5
CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
3
Daniel Vitor Domont Andrade Ferreira, Acadêmico de Engenharia Elétrica da UNIR - Universidade Federal de Rondônia ,Campus - BR 364, Km 9,5
CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
4
Carlos Alberto Tenório de Carvalho Júnior, Chefe do Núcleo de Tecnologia da UNIR - Universidade Federal de Rondônia ,Campus - BR 364, Km 9,5
CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
5
Carlos Vinicius da Costa, Mestre de licenciatura plena em Matemática da Universidade Federal de Rondônia, Campus - BR 364, Km 9,5
CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
6
Ciro José Egoavil Montero, Engenheiro Eletrônico Mestre especialista em Engenharia Elétrica vinculado ao Departamento de Engenharia Elétrica da
UNIR - Universidade Federal, Campus - BR 364, Km 9,5 CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
7
Júlio Sancho Linhares Teixeira Militão, Pós-doutor vinculado ao Departamento de Química da UNIR - Universidade Federal de Rondônia, Campus - BR
364, Km 9,5 CEP: 76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
8
Wilson Sacchi Peternele, Doutor vinculado ao Departamento de Química da UNIR – Universidade Federal de Rondônia, Campus - BR 364, Km 9,5 CEP:
76801-059 - Porto Velho - RO, Brazil, [email protected]
DOI 10.14684/INTERTECH.13.2014.448-452
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Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica
open-source9, fácil de usar o hardware e software, tornandose uma grande ferramenta para o desenvolvimento de
sistemas micro controlados. Utilizando uma das suas
entradas analógicas conecta-se o sensor MQ-3, cuja
sensibilidade depende de fatores como o aquecimento de sua
resistência interna e números de medições realizadas
sequencialmente. O sensor foi calibrado através de um
sistema onde submetido a diversas concentrações de álcool,
a fim de estabelecer faixas que relacionassem a leitura do
sensor através de uma porta serial “COM 3” a seu
equivalente em gramas por mililitro de álcool por litro de
água destilada. Finalmente, a leitura do sensor seria
disponibilizada no display, junto com sua graduação
equivalente (concentração de álcool mg/l).

1º Passo - Pesquisa: Após a escolha do projeto, foi
realizado o procura por micro controladores e optou-se
por utilizar a plataforma Arduino Uno, boa opção para
iniciantes na programação C ++ 10. Em seguida listou-se
os componentes necessários para confecção do circuito,
realizou-se a pesquisa de valores dos componentes.
FIGURA. 1
PINAGEM DO SENSOR MQ-3.[4]
Para a preparação das soluções de concentração de
álcool foi necessário a utilização de cálculos de
concentração de quantidade de matéria, que dará o valor de
massa em um determinado volume para obter a correlação
de concentração em uma solução, as equações utilizadas
encontram-se abaixo:
M = n° de soluto / volume de solução(L) = n1 / V(L)
TABELA I
(1)
VALORES DOS COMPONETES
Componentes
1 resistor de 10kΩ
7 resistores de 300Ω
7 LED’s
LCD 16x2
Sensor MQ-3
1 Potenciômetro de 10KΩ
1 Plataforma Arduino Uno
Total

Valor de Compra em Reais
R$:0,20
R$:1,50
R$:3,00
R$:35,00
R$:25,00
R$:3,00
R$:65,00
R$:132,70
2º Passo - Calibração do Sensor: Para efetuar a
calibração do sensor MQ-3, primeiramente procurou-se
estudar o funcionamento do sensor. A pinagem do
sensor está ilustrada na figura abaixo, a sensibilidade do
sensor está relacionada a sua resistência interna, o que
faz com que as leituras sejam obtidas após um tempo de
pré-aquecimento de 5 minutos.
Tendo:
n1 = massa de soluto / massa de solução = m1/ M1
(2)
Substituindo o valor da equação da massa molar na
equação da molaridade obtemos:
M= m1 / M1  V(L)
(3)
Ao final dos cálculos um fator de correção foi utilizado
para que a utilização do álcool com 95% de pureza não
interferisse no resultado final, pois para uma concentração
pura é necessário um álcool com 100 %. Para isso basta
relacionar em uma regra de 3 simples o valor do volume
obtido para o álcool 95% e descobrindo o valor do álcool
100%. Outra importante ferramenta muito útil para a
calibração do sensor foi a utilização de um circuito Bar
graph11, que nada mais é que um indicador particionado,
onde para cada valor obtido na porta analógica será
encaixado um determinado conjunto de LED’s o que
resultou bom parâmetro para amostragem. A utilização de
água destilada potencializa a eliminação de erros durante a
medição de valores devido a concentração de minérios na
água.
9
Open-Source: O termo código aberto, ou open source em inglês, foi
criado pela OSI (Open Source Initiative) e refere-se a software também
conhecido por software livre.
10
C++: É uma linguagem de programação de uso geral.
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11
Bar graph: Em português significa gráfico de barras é um gráfico com
retangulares barras com comprimentos proporcionais aos valores que eles
representam
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
3º Passo - Montagem do Circuito com LCD
Implementado e Lógica Aplicada na Programação.
Funcionamento da porta “COM3”: uma tensão de
entrada de 5V é aplicada no Arduino, para cada valor
máximo lido durante um determinado intervalo de tempo
pela porta serial “COM3”, uma tensão de saída é
determinada, essa tensão é determinada em uma escala de 0
a 1023 devido ao conversor AD de 10 bits. O que na verdade
acontece é que para cada valor lido de tensão teremos um
respectivo valor de concentração, originando um gráfico de
concentração em função da tensão de saída.
Para a montagem do circuito com o LCD
implementado, foi necessário a coleta de dados obtidos
durante a calibração do sensor para a construção de um
gráfico. Esse gráfico será o responsável pelo fornecimento
da função que fará a conversão de valores obtidos na porta
serial “COM3” em valores de concentração de mg de
álcool/litro de ar. Encontra-se na figura abaixo o código
utilizado para a implementação do LCD:
RESULTADOS

1º Passo - Calibração do Sensor: As concentrações para
as soluções foram feitas de acordo com a figura abaixo,
foram realizadas amostras. Para cada concentração há
uma medição diferente da tensão de saída de acordo
com a tabela a seguir:
FIGURA. 3
AMOSTRAS DE CONCENTRAÇÕES.
Os dados relacionam uma determinada tensão em
função da concentração, como mostra a figura abaixo:
FIGURA. 2
CÓDIGO.
Abaixo segue um diagrama que configura a lógica de
funcionamento do protótipo:
DIAGRAMA I
DIAGRAMA DE FUNCIONAMENTO
FIGURA. 4
RELAÇÃO DE TENSÃO DE SAÍDA PARA CONCENTRAÇÃO DE ÁLCOOL.
INÍCIO
AMOSTRA DE
RESULTADO
Dados de valores de concentração referentes ao sinal:
TABELA II
VALORES DE CONCENTRAÇÃO/SINAL
LEITURA DOS SINAIS
DO SENSOR
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Concentração (mg/l)
PROCESSAMENTO DOS
DADOS – FUNÇÃO
MATEMÁTICA
Valores Exibidos na
Porta Digital
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0
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
120
460
492
597
588
617
623
226
668
677
717
820
872
862
866
FIGURA. 6
A Curva da figura a seguir demostra à tendencia plotada
em preto, revelando uma relação que não condiz com o
esperado, contudo, conclui-se que foi cometido um erro na
calibração do próprio gráfico, logo foi corrigido e
implementado uma nova função, agora a variável x mostrará
o valor da concentração, ou seja a função deixou de ser
logarítmica e passou a ser polinomial, no caso, um
polinômio de grau 5, obtendo um erro relativo de 15%, o
polinômio de grau 5, obteve-se por inspeção das constantes;
concentração (mg/l) e sinal elétrico de 0 a 1013.
FUNÇÃO COM BOA APROXIMAÇÃO.
Houve melhoria na aproximação da função, pois o
gráfico demonstra perturbação da curva há elevação e
declínio, observar-se os valores foram invertidos. Logo a
função será convertida de polinomial para exponencial,
como demostra a figura abaixo:
FIGURA. 7
FUNÇÃO UTILIZADA PARA O CÁLCULO.
FIGURA. 5
FUNÇÃO EQUIVOCADA.
Demonstração dos novos cálculos:
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
2º Passo - Montagem do Circuito com Implementação
do LCD: Agora com a função já determinada, construiu-se o código ou algoritmo, resultando no funcionamento
do experimento. A figura abaixo mostra a montagem do
circuito na matrix de contato, operando normalmente.
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Ao final do experimento apesar das dificuldades
enfrentadas durante o processo de produção, o resultado foi
satisfatório. Correções no projeto foram efetuadas sendo a
análise gráfica e diluição das amostras responsáveis. O teste
do protótipo comprovou erro de 15% na leitura de medição.
REFERÊNCIAS
FIGURA. 8
MATRIX DE CONTATO.

3º Passo - Implementação da Placa Impressa: Após o
funcionamento completo do circuito na matriz de
contato passou-se a configuração para a placa impressa.
[1]
http://pt.wikipedia.org/wiki/Baf%C3%B4metro .Acessado dia 15 de
julho de 2013.
[2]
http://www.dprf.gov.br/PortalInternet/leiSeca.faces. Acessado dia 15
de julho de 2013.
[3]
http://en.wikipedia.org/wiki/Blood_alcohol_content.Acessado dia 15
de julho de 2013.
[4]
http://www.danielandrade.net/2010/03/07/building-an-breathalyzerwith-mq-3-and-arduino/. Acessado 21 de julho de 2013.
FIGURA. 9
CIRCUITO DA PLACA IMPRESSA.
Após a realização da montagem do circuito na placa
impressa observou-se que o funcionamento ocorreu de
forma normal. A figura abaixo ilustra a imagem frontal da
placa.
FIGURA. 10
IMAGEM FRONTAL DA PLACA IMPRESSA.
CONCLUSÃO
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