Tecnologia em Automação Industrial: Ensino e Prática - Magna Campos (org.)

CONTRA CAPA

Magna Campos (ORG.)

Tecnologia em Automação Industrial: Ensino e prática 1ª edição

Mariana, 2016

FICHA CATALOGRÁFICA

CAMPOS, Magna (org.). Magna Campos (org.). Tecnologia Automação Industrial: ensino e prática. 1ª edição. Mariana: Edição do Autor, 2016. 218p. Capa e diagramação: M. Bastos ISBN: 978-85-918919-5-5 Coletânea de projetos que relacionam ensino e prática no curso de Tecnologia de Automação Industrial. 1. Tecnologia. 2. Automação. 3. Automação Industrial. 4. Ensino. 5. Prática. 6. Metodologia de Pesquisa.

* A revisão textual é de responsabilidade dos autores de cada capítulo do livro.

EPÍGRAFE

Dom Chico Chicote: _ O mundo não é o que a gente vê. O mundo é o que ele esconde. . (Hoje é dia de Maria de Carlos Alberto Soffredini) Tudo no mundo está dando respostas, o que demora é o tempo das perguntas. (Memorial do Convento de José Saramago)

SUMÁRIO PREFÁCIO

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FABRICAÇÃO DE CERVEJA ARTESANAL CASEIRA: CONTROLE DA TEMPERATURA NA BRASSAGEM 12 Marcelo Sampaio Rocha Coautoria Magna Campos RESUMO: 12 INTRODUÇÃO 12 2. SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO VOLTADOS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA E RECIRCULAÇÃO 14 2.1 Controle de temperatura 15 2.1.1 Recirculação 16 2.1.2 Aplicação 16 2.2 A automação da Recirculação como fator de controle de temperatura e beneficiamento 17 3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERVEJA 3.1 Matéria-prima 3.1.1 Água 3.1.2 Malte 3.1.3 Lúpulo 3.1.4 Fermento Cervejeiro 3.2 Processo de Fabricação 3.2.1 Maltagem 3.2.2 Moagem 3.2.3 Mosturação 3.2.4 Parada Proteica (Protease) 3.2.5 Beta-Amilase 3.2.6 Alfa-Amilase 3.2.7 Mash-out (Inativação das Enzimas) 3.3 Clarificação 3.4 Fervura 3.5 Resfriamento 3.6 Fermentação 3.7 Término da fermentação 3.8 Maturação 3.9 Envase

18 18 18 18 19 19 19 20 20 20 21 22 22 22 22 23 23 24 25 26 26

4. CRIAÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE UM CIRCUITO COMPLETO DE CONTROLE DE TEMPERATURA NA BRASSAGEM 26 4.1 Componentes para o projeto 27 4.1.1 Controlador lógico programável (CLP) 27 4.1.3 Resistência elétrica 28 4.1.4 Bomba de recirculação 28 4.1.5 Panela cervejeira com filtro para malte 29 4.2 Lógica de programação 30 4.2.1 Blocos de Função (FB) 30 4.2.2 Blocos e componentes lógicos 31 4.2.3 A lógica de controle de temperatura e recirculação 36 CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

38 40

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: CONSTRUÇÃO DE UM BRAÇO ROBÓTICO UTILIZANDO SERVOMOTORES CONTROLADOS POR ARDUINO 42 Demétrius Rodrigues Coautoria Magna Campos RESUMO INTRODUÇÃO 2. AUTOMAÇÃO E SERVOMOTORES 2.1 Estrutura robótica 2.2 Sistema de controle 2.3 Potenciômetros e Botões 2.4 Servomotores 2.4.1Sistema Atuador: 2.4.2 Sensor: 2.4.3 Circuito de Controle: 2.5 Função de um servomotor 2.6 Funcionamento de um servomotor

42 43 45 46 50 50 51 52 52 52 53 54

3. ARDUÍNO E CIRCUITOS ELETRÔNICOS 3. 2 Conversor de usb para serial FTDI 3.3 Módulos reguladores de tensão 3.3.1 Circuito regulador de tensão de baixa corrente 3.3.2 Circuito regulador de tensão de alta corrente 3.4 Software Arduíno IDE 3.5 Código Utilizado

58 59 59 59 60 62 63

4. O BRAÇO ROBÓTICO CONSTRUÍDO

66

4.1 O desenho metodológico ONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS APÊNDICE A: PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO

66 74 76 77

O COMPORTAMENTO FUNCIONAL DE UM CONTROLE LÓGICO PROGRAMÁVEL COM ENTRADAS ANALÓGICAS: ANÁLISE PRÁTICA 90 Everaldo Luís Ribeiro da Cruz Tayro Christian Borges Wesley Ramos de Oliveira Coautoria Magna Campos RESUMO INTRODUÇÃO 2. SOBRE CONTROLADORES LÓGICOS PROGRAMÁVEIS 2.1 História do Surgimento 2.2 Características e particularidades dos modelos existentes 2.2.1 CLP’s Nano e Micro 2.2.2 CLP’s de Médio Porte 2.2.3 CLP’s de Grande Porte 2.3 Aplicações dos CLP’s 3.0 CLP ANALÓGICOS E DIGITAIS 3.1. Foco no Modelo Específico Estudado 3.2. Vantagens e Desvantagens do Modelo Digital 3.2.1 As vantagens do Controlador Lógico Programável Digital: 3.2.2 As desvantagens do Controlador Lógico Programável Digital: 3.3. Vantagens e Desvantagens do Modelo Analógico 3.3.1 Vantagens que são encontradas nos controladores analógicos: 3.3.2 Desvantagens que são encontradas nos controladores analógicos: 3.4. Emprego de cada Um 3.5 Experimento: análise de um controle lógico programável com entrada analógica 3.5.1 Contextualizando o Produto Construído 3.5.2 As Entradas Digitais 3.5.2 Entradas Analógicas 3.5.3 Saídas Digitais 3.5.4 Processador com Conector de Gravação 3.5.5 Circuito de Comunicação para Supervisório 3.5.6 Elementos Empregados 3.5.6 Para o CLP 3.5.7 Instrumentos

90 90 92 92 95 95 96 96 96 99 101 112 112 113 113 114 114 115 116 116 118 119 120 121 122 124 124 125

3.5.8 Produto pronto e funcionamento 3.4. Análise do Funcionamento CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

126 130 133 135

AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL COM GERENCIAMENTO VIA TERMINAL WI-FI: UM ESTUDO PILOTO 137 Angélica Cristina Perucci Corraide Suellen Cristina Moraes Coautoria Magna Campos RESUMO INTRODUÇÃO: 2. AUTOMAÇÃO RESIDENCIAL 2.1 O que é Automação Residencial 2.2 Classificação da Automação Residencial 2.3 Aplicabilidade da Automação Residencial 2.4 Benefícios da Automação 2.5 Níveis Automação

137 137 138 138 139 140 140 141

3. GERENCIAMENTO DE SISTEMAS 3.1 Sistemas Domóticos 3.2 Controladores, Atuadores e Sensores 3.2.1 Controladores 3.2.2 Atuadores e Sensores

142 142 143 144 144

4. DOMÓTICA INTELIGENTE E GERENCIAMENTO POR WI-FI 4.1 Domótica Inteligente 4.2 O sistema wi-fi 4.3 Componentes Físicos e softwares 4.3.1 Arduíno 4.3.2 Arduíno Ethernet Shield 4.3.3 Software TouchOSC interface editor 4.3.4 Software Arduíno

145 145 145 145 145 146 147 148

5. IMPLEMENTAÇÃO DO PROJETO PILOTO 5.1 O Funcionamento 5.2 O projeto em execução 5.3 Criação da Interface Gráfica 5.4 Desenvolvimento do código 5.5 A Análise do projeto criado 5.5.1 Problemas encontrados

149 149 150 151 154 156

CONSIDERAÇÕES FINAIS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO

158 160 162

O USO DA AUTOMAÇÃO PARA O CONTROLE DE UMIDADE DE SOLO: UM ESTUDO PILOTO 166 Diego Couto Fabio Caldeira Leonardo de Souza Coautoria Magna Campos RESUMO INTRODUÇÃO 2. AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UMIDADE 2.1 Automação industrial 2.2 Microcontroladores 2.2.1 Arduíno 2.2 Instrumentos de Medição 2.3 Medição de Nível 2.3.1 Medição de umidade 2.3.2 Medição de Fluxo

166 166 168 168 169 171 173 174 177 179

3. SISTEMA DE CONTROLE 3.1 Definições 3.2 Sistema Dinâmico 3.2.1 Sistema de Controle em Malha Aberta 3.2.2 Sistema de Controle em Malha Fechada 3.3 Resposta de Sistema de Controle 3.4 Métodos de Controle 3.4.1 Controle liga/Desliga 3.4.2 Controle Proporcional 3.4.3 Controle Proporcional Integral (PI) 3.4.4 Controle Proporcional Derivativo 3.4.5 Controle Proporcional Integral e Derivativo 3.4.6 Controle em cascata 3.4.7 Controle de Razão 3.4.8 Controle em Faixa Dividida

181 181 182 183 184 184 185 186 187 187 188 190 190 192 192

4. PROCEDIMENTOS DO PROJETO PILOTO 4.1 Construção dos requisitos em sistema físico 4.2 Diagrama do aparelho 4,3 Desenvolvimento do código

193 195 197 198

4.4 O dispositivo 4.5 Análise do Projeto 4.6 Testes com solo em 0% de umidade 4.7Testes com solo em 53% de umidade 4.8 Testes com solo em 77% de umidade 4.9 Testes utilizando atuador externo CONSIDERAÇÕES FINAIS: REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO A:

199 203 205 206 207 208 209 212 213

PREFÁCIO

A docência no Ensino Superior, especialmente nos recentes cursos de tecnólogos, é um desafio à reinvenção de uma metodologia que, ao mesmo tempo em que dê conta de trabalhar a ciência de uma área, sua interdisciplinaridade e as questões de formação profissional, consiga também, na prática, não se ser reduzida apenas às questões técnicas, tendo em vista o tempo menor de duração dos cursos em relação aos cursos de bacharelado e de licenciatura. Sendo assim, metodologias mais ativas e capazes de trabalhar a formação conceitual e profissional dos graduandos são cada vez mais necessárias ao desenvolvimento das competências e habilidades desejáveis aos cursos. Tais metodologias de ensino e de aprendizagem precisam abranger técnicas, métodos e estratégias focadas na aprendizagem, no saber e no saber-fazer, com propostas voltadas para a prática. Um momento importante para se realizar essa interconexão do saber com o saber-fazer é, sem dúvida, na elaboração dos Trabalhos de Conclusão de Curso. Neste caso, o/a orientador/a precisa estar atento em ser para o aluno um provocador de reflexões e do desejo de buscar respostas para questões problemáticas com aplicação prática para serem investigadas, tanto teórica quanto empiricamente. E é neste contexto que este livro seleciona alguns dos trabalhos desenvolvidos por alunos concluintes do curso de Tecnologia da Automação Industrial, da Faculdade Adjetivo-CETEP, para compor uma coletânea de projetos bem-sucedidos de aplicação de conhecimentos na área de tecnologia.

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Tive a satisfação e o desafio de orientar, entre os anos de 2015 e 2016, todos os trabalhos aqui relatados, ainda que eu não tivesse formação acadêmica na área tecnológica. Entretanto, como professora do curso na área de Metodologia de Pesquisa e de Linguagem e, tendo em vista ter sido a orientadora escolhida, consegui – com o apoio obstinado e constante de todos os orientandos envolvidos – traçar com eles roteiros de pesquisa e perguntas norteadoras, para as quais, quando o conhecimento da área específica de tecnologia me faltava, souberam buscar respostas em livros, em aulas do curso ou com outros colegas específicos da área. E conseguimos também elaborar outras questões técnicas ou metodológicas que nos fizeram ir muito além do que está exposto nas páginas deste livro. Especialmente, para esses alunos, foi possível, como muitos relataram ao longo do trabalho, ressignificar e relacionar conteúdos aprendidos nas disciplinas do curso, ganhar mais autonomia intelectual, explorar a criatividade na criação e execução dos projetos tecnológicos e vislumbrar mais de perto a aplicação profissional dos conhecimentos construídos. Ms. Magna Campos (Mestre em Letras, professora universitária e escritora)

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FABRICAÇÃO DE CERVEJA ARTESANAL CASEIRA: CONTROLE DA TEMPERATURA NA BRASSAGEM1 Marcelo Sampaio Rocha2 Coautoria Magna Campos Mas pra quem tem pensamento forte, O impossível é só questão de opinião. (Chorão e Thiago Castanho)

RESUMO: Esse trabalho tem objetivo de demonstrar uma maneira de melhorar o controle de temperatura durante a fabricação caseira de cerveja. Durante a etapa de brassagem, a temperatura correta é determinante para fabricar a cerveja dentro dos parâmetros pretendidos. Os cervejeiros caseiros monitoram essa etapa com muita atenção, pois temperaturas fora das especificadas geram defeitos ou até mesmo a perda da produção. Neste sentido, foi realizado, na etapa de prática da pesquisa, o desenvolvimento de um circuito para controle de temperatura e de recirculação de materiais, empregando os conhecimentos desenvolvidos no curso de Tecnologia Automação Industrial. Este trabalho demonstra uma maneira automatizada de controlar a temperatura e recirculação na fabricação de pequenas quantidades de cerveja, sem erros e de maneira prática e fácil. PALAVRAS-CHAVE: Cerveja Caseira, Cerveja Artesanal, Automação, Controle, Recirculação e Temperatura.

INTRODUÇÃO A prática de misturar malte, levedura, lúpulo e água e fabricar a própria cerveja está em crescendo no Brasil. Criar sua própria cerveja com aspectos e particularidades únicas pode levar o hobby a torna-se fonte renda. Mas para os cervejeiros caseiros que só querem produzir a melhor cerveja do mundo, em menor quantidade, sofrem com alguns problemas em repetir suas receitas. Dois cervejeiros que fabriquem a mesma receita, nunca terão os

Capítulo adaptado a partir de TCC orientado pela Profª. Ms. Magna Campos, na Faculdade Adjetivo-CETEP, em 2015. 2 Tecnólogo em Automação Industrial e cervejeiro artesanal. 1

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mesmos resultados. O mesmo cervejeiro que repete uma receita consegue perceber as diferença entre elas. Por mais gratificante de que seja produzir a própria cerveja, o ideal é conseguir repetir as receitas e alcançar resultados iguais ou muito próximos. Neste sentido, este trabalho se propõe a responder à seguinte problemática, como a automatização do sistema de controle de temperatura e de recirculação do líquido na produção de cerveja artesanal pode melhorar a qualidade do produto final? Mas para tal intento, é preciso saber que essa automatização trabalhará especificamente com a etapa de brasagem, na fabricação de cerveja, sendo que a etapa de brassagem tem como objetivo principal a transformação do amido do malte de cevada em açúcares menores e fermentáveis. Nesta etapa, também são extraídos diversos nutrientes, minerais e proteínas dos grãos. Isto confere ao mosto resultante todas as características nutricionais necessárias para que posteriormente seja consumido pelas leveduras e, assim, gerado o álcool e os sabores resultantes da cerveja. O processo consiste na maceração dos grãos em água morna com a manutenção de diferentes degraus e rampas de temperatura. O seu funcionamento se dá em quatro funções principais: hidratação do malte, gelatinização de seus amidos, liberação de suas enzimas naturais e conversão dos amidos em açúcares fermentáveis. O malte moído despejado em água morna ou quente para que haja a hidratação. A mistura resultante é então estabilizada em diferentes patamares de temperatura para que as outras funções sejam cumpridas. (TOSTES, 2015, p. 5)

Conseguir alguma maneira de repetir os passos de uma brassagem é algo desafiador. Este trabalho apresenta como objetivo de pesquisa investigar uma maneira de padronizar o controle da temperatura durante a etapa de brasagem, e, assim, estudar processos parecidos e criar uma maneira automatizada e padronizada de fazer este controle. Assim, apresenta a hipótese de que é possível desenvolver um mecanismo capaz de controlar a temperatura e promover a circulação do 13

líquido da cerveja com materiais de baixo custo e que operem como os mecanismos comerciais. O trabalho justifica-se porque segundo a Associação Brasileira da Indústria da Cerveja (CERVBRASIL) o setor contribui com 1,6% do PIB nacional e gerando 2,2 milhões de empregos. E as cervejas artesanais, mesmo sendo um nicho menor do mercado, procuram oferecer mais estilos e qualidade. Quando o cervejeiro caseiro tem um estilo preferido ele procura consumi-lo e aventurar-se na fabricação do mesmo. Procurando sempre melhorar e criar detalhes únicos na sua receita. Este trabalho aborda no capítulo 1, algumas referências sobre controle de temperatura em outros processos. Norteando o caso estudado. No capitulo 2, o processo de fabricação de cerveja será detalhando, permitindo entender melhor a necessidade de um controle adequado de temperatura na brassagem. No capitulo 3, explicaremos o trabalho através de um projeto onde o controle de temperatura foi implementado. 2. SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO VOLTADOS PARA CONTROLE DE TEMPERATURA E RECIRCULAÇÃO Os sistemas de automação estão presentes nas mais diversas áreas e setores. Aplicações de controles de temperatura nos processos envolvidos na indústria sucroalcooleira e são comumente encontradas desde pequenas até grandes produções. Considerando que o Brasil produz etanol em grande escala desde 1970, devido ao programa governamental Proálcool. O processo de fabricação do etanol e cachaça é bem parecido com de fabricação de cerveja artesanal. A escolha de matéria-prima, processo de extração de mosto e fermentação são algumas das etapas parecidas entre os processos. Outra informação importante é entender quais as grandezas físicas que vão ser controladas. Segundo a Confederação Nacional da Indústria, CNI (2008), a variável de processo e uma grandeza física ou química, cuja 14

variação afeta na operação de um processo. A variável de processo tratada neste trabalho é a temperatura. O controle adequado desta variável garantira o resultado esperado do processo. 2.1 Controle de temperatura O controle de temperatura automatizado funciona de maneira que, a todo o momento, o valor da temperatura que quer se controlar seja analisado e comparado com um valor de set-point. Através desta comparação o controlador lógico decide se é necessário aumentar a fonte de calor ou diminuí-la. Em um sistema de simples atuação teremos um controlador lógico programável, um sensor de temperatura e uma resistência térmica, conforme exemplo abaixo:

Figura 01: Sistema simples de controle de temperatura. Fonte: Elaboração do autor

No exemplo, o tanque está com o liquido que deve ter a temperatura controlada. Assim o sensor que faz a leitura da temperatura e essa informação serve de entrada para o controlador. A lógica nele interpreta esse valor de entrada, executa sua lógica de comparação e determina se é necessário atuar a resistência. Se for preciso, a saída é acionada e por sua vez a resistência começa a esquentar. Assim temos um processo continuo de 15

verificação, onde, novamente a temperatura é comparada e caso o valor seja igual ou superior ao limite máximo da temperatura a resistência será desligada. E assim esse processo será executado pelo tempo necessário ao processo em questão. 2.1.1 Recirculação A etapa de recirculação também é utilizada em diversos processos produtivos. A recirculação contribuiu muito para o processo de controle de temperatura, pois, quando o liquido está recirculando está constantemente sendo misturado e a temperatura fica praticamente a mesma em todo o tanque, evitando que tenhamos temperaturas diferentes entre a parte de baixo e a parte de cima do tanque.

Figura 02: Sistema de controle de temperatura e recirculação. Fonte: Elaboração do autor

2.1.2 Aplicação Como referência, no processo de fabricação de etanol, existe uma etapa de fabricação conhecida como hidrólise ácida. Hidrolise ácida é uma reação química onde ocorre a quebra das moléculas por ação da molécula de água. Nesta etapa acontece a produção de vários compostos, mas, principalmente açucares. 16

Existem alguns inconvenientes na hidrólise ácida. Ao utilizar ácido concentrado no processo, o rendimento é elevado e baixa porcentagem de açucares perdidos. Mas o custo dos equipamentos adequados a este processo é muito elevado, pois, são equipamentos que precisam resistir à acidez do processo. Outro ponto de atenção é que devido à utilização destes ácidos concentrados, a dificuldade de manejo e segurança no processo precisam ser redobradas. A outra possibilidade é a utilização de ácido diluído, onde o rendimento é baixo é por esse motivo inviável. Então, houve o desenvolvimento de um processo novo, conhecido como Dedini Hidrolise Rápida (DHR), que tem como objetivo a produção de etanol a partir da hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar com ácido diluído. Segundo Dias (2008), nesta etapa, a recirculação aliada ao controle de temperatura permite que as condições sejam ideias para atender concentrações de ácido e solvente necessárias para essa etapa. 2.2 A automação da Recirculação como fator de controle de temperatura e beneficiamento Na etapa de fermentação, onde acontece a transformação de açucares em álcool, Mello (2012), explica que o processo de fermentação gera calor. Esse calor gerado incrementa temperatura a mais no processo de fermentação, prejudicando o trabalho das leveduras que consomem os açucares e liberam CO² e álcool. Usando trocadores de calor de placas, onde o liquido em constante recirculação ajuda a beneficiar e controlar a temperatura. Esse processo é necessário considerando que a faixa de temperatura ideal para as leveduras do etanol é entre 28º e 33º graus, nunca ultrapassando 35º graus célsius. A recirculação além de ajudar no controle de temperatura, beneficia a etapa de fermentação, porque permite que as leveduras e os açucares fiquem em movimento e assim aumentando a eficiência da fermentação. 17

3. PROCESSO DE FABRICAÇÃO DE CERVEJA O processo de fabricação combina processos químicos e físicos. A criatividade dos cervejeiros não tem limites para elaborar novas receitas. O processo não é como uma receita, que basta seguir as etapas e adicionar ingredientes. A matéria-prima e os equipamentos facilitam o processo de fabricação. Por isso, conhecê-los é fundamental para se fazer uma boa cerveja, conforme Beltramelli (2014) e Cole (2012).

3.1 Matéria-prima A cerveja é uma bebida alcoólica resultante da fermentação de cereais maltados ou não. Mas, para produzir cerveja precisamos de pelo menos quatro matérias-primas: Água, Malte (cereais), Lúpulo e Fermento. Segundo Silva (2005), que de uma maneira geral definiu cerveja como bebida carbonatada, de baixo teor alcoólico.

3.1.1 Água Representa mais de 90% na fabricação da cerveja. De maneira geral, a água de cada região determina o estilo da cerveja. O cervejeiro pode alterar a composição química da água e assim atendendo melhor cada estilo especifico.

3.1.2 Malte Responsável pelo corpo e cor da cerveja. Na grande maioria das vezes, a cevada é o cereal mais utilizado, devido ao teor de proteínas que depois fornecerão aminoácidos necessários a levedura no processo de

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fermentação. Mas, qualquer cereal pode ser maltado, como exemplo temos malte de trigo.

3.1.3 Lúpulo Planta tipo trepadeira de locais com clima frio e com bastante luz solar. As flores da planta fêmea que são utilizadas. Com propriedades bactericidas, funciona também como conservante natural da cerveja. Na sua composição são encontrados resinas e óleos, onde podemos destacar o ácido alfa, responsável pelo amargor. Podem ser classificados em lúpulos de amargor, de aroma ou tendo as duas funções.

3.1.4 Fermento Cervejeiro A levedura é um ser vivo do reino dos fungos. Um micro-organismo que se alimenta de açúcar e como resultado deste consumo libera álcool e CO². Existem três tipos de levedura. As de baixa fermentação (Lagers), as de alta fermentação (Ale) e as de fermentação espontânea. Cada tipo de levedura proporciona características diferentes à cerveja. 3.2 Processo de Fabricação O processo de produção pode ser dividido em Maltagem, Moagem, Mosturação, Resfriamento e Fermentação. Todas as etapas serão comentadas, mas, a proposta deste trabalho terá foco na Mosturação. Onde o controle de temperatura e a recirculação são empregados.

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3.2.1 Maltagem Ocorre quando a germinação de um grão é interrompida. Através da secagem deste grão seu crescimento é interrompido, preservando açucares e enzimas, que são fundamentais para as próximas etapas da fabricação. Na maltagem é necessário molhar os grãos onde a água é absorvida. Depois começa a germinação, onde começam a formação de estoques de amido através de enzimas já presentes no grão. Para cessar o crescimento e consequentemente o consumo do amido que foi gerado durante a germinação iniciasse a secagem. A temperatura da secagem é torno de 50ºC e 70ºC. O tempo e a temperatura influenciam no tipo de malte, desde maltes mais claros até os mais torrados.

3.2.2 Moagem Seu objetivo é expor o conteúdo do grão já maltado. Expondo o amido e as enzimas, onde serão convertidos em açucares na etapa de Mosturação. Outra finalidade importante é a granulometria do grão após a Moagem. Se a moagem é muito fina, torna mais fácil processo de conversão de açucares, mas, prejudica a clarificação. Durante a recirculação, as partículas muito finas darão o aspecto mais turvo ao líquido e também podem causar entupimento. Por outro lado, se tivermos uma moagem que gere uma granulometria mais alta, teremos a facilidade na clarificação e uma baixa conversão de açucares. Por isso, a moagem com granulometria adequada favorece todo o processo a seguir.

3.2.3 Mosturação O foco deste trabalho está nesta etapa de produção. Como será explicado, o controle adequado da temperatura e a recirculação proporcionam o melhor beneficiamento do liquido cheio de açucares, que é 20

chamado de mosto. Na etapa de fermentação, o mosto se transformará em cerveja. Na mosturação, o malte é adicionado à água já aquecida na temperatura desejada. O malte precisa ser mexido para que todo ele tenha contato com a água. De acordo com cada faixa de temperatura é possível favorecer as ações enzimática e assim obter um mosto com mais ou menos açucares fermentáveis. Na fabricação de cerveja caseira, podemos destacar 4 faixas de temperatura: Parada Proteica (Protease), Beta-Amilase, Alfa-Amilase e Mash-out.

Figura 03: Mosturação. Fonte: Elaboração do autor

3.2.4 Parada Proteica (Protease) Também conhecido como descanso protéico, ocorre com a temperatura do mosto entre 45ºC a 55ºC. Nesta etapa as enzimas quebram as proteínas em aminoácidos, que serão importantes durante a fermentação. 21

Outro beneficio da Parada Proteica é diminuir a turbidez gerada por grandes cadeias de aminoácidos, influenciando também na estabilidade da espuma.

3.2.5 Beta-Amilase A Beta-Amilase acontece com a faixa de temperatura entre 55ºC a 66ºC. A quebra da cadeia de amido gera açucares menores e fermentáveis, por isso, ao controlar a temperatura de maneira adequada na Beta-Amilase conseguimos cervejas mais alcoólicas e com menos corpo.

3.2.6 Alfa-Amilase Com a temperatura entre 67ºC e 72ºC ocorre a Alfa-Amilase, onde a quebra da cadeia de amido gera açucares menores e também açucares maiores. E nesta diversidade de açucares, muitos não são fermentáveis. Com isso, quando utilizamos o controle de temperatura por mais tempo, na Alfa-Amilase, favorecemos cervejas mais doces, menos alcoólicas e mais encorpadas.

3.2.7 Mash-out (Inativação das Enzimas) No Mash-out, onde a faixa de temperatura é de 72ºC a 78ºC graus, ocorre a Inativação das enzimas, concluído a conversão de amido em açúcar e parando o trabalho das enzimas. 3.3 Clarificação A clarificação ocorre no final da Mosturação. Através da recirculação, o mosto é retirado do fundo da panela e volta ao topo. O mosto passa pela

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casca do grão, com granulometria adequada, funciona como um filtro retendo partículas. Esse processo clarifica o mosto, beneficiando a cerveja no final.

Figura 04: Clarificação. Fonte: Elaboração do autor

3.4 Fervura A fervura com um tempo mínimo de 60 minutos serve para esterilizar o mosto, acabando com microrganismos que possam concorrer com as leveduras durante a fermentação. Também, durante a fervura, proteínas coagulam e os ácidos-alfa presentes nos lúpulos não incorporados ao mosto. O lúpulo tem finalidade de acrescentar amargor e aroma a cerveja. De acordo com o tempo de adição do lúpulo na fervura, conseguimos cervejas com mais ou menos amargor e aroma. A fervura é determinante na densidade da cerveja. A evaporação da água aumenta a quantidade de sólidos e consequentemente aumenta a densidade inicial da cerveja. 3.5 Resfriamento Nesta etapa o objetivo é baixar a temperatura do mosto para a temperatura adequada para cada levedura. É importante que seja feita o mais rápido possível, pois a demora no resfriamento do mosto, pode gerar sabores e off-flavors indesejados. 23

3.6 Fermentação Processo realizado pelos fungos (leveduras). Durante o metabolismo de açucares pelas leveduras ocorre a liberação de calor, CO² e álcool. A finalidade da fermentação é transformar o mosto, líquido repleto de açucares, lupulado e em temperatura adequada para levedura, em cerveja. Este mosto precisar ser oxigenado, pois, o oxigênio é fundamental para o crescimento das leveduras. Fermentador é um recipiente fechado feito de plástico alimentício ou inox 304, onde acontecerá a fermentação. Ele deve estar limpo e sanitizado, evitando que outros micro-organismos atrapalhem a levedura. Existe apenas uma saída de ar que passa por um airlock. À medida que a fermentação acontece, o CO² sai do balde, passa pelo airlock. O airlock impede que oxigênio entre. Diferentemente do começo da fermentação qualquer entrada de oxigênio pode oxidá-la e estragar a cerveja. A temperatura deve ser mantida de acordo com a levedura utilizada.

Figura 05: Fermentador de fundo cônico industrializado. Fonte: Elaboração do autor

Na imagem abaixo temos um balde alimentício montado para servir de fermentador. Como vantagem, na escolha do balde, podemos citar o custo na aquisição e de fabricação. E sua desvantagem e por não ser de fundo cônico, facilitando o acumulo de leveduras no fundo. 24

Figura 06: Balde Fermentador montado para servir como fermentador. Fonte: Elaboração do autor

Figura 07: Airlock do balde fermentador. Fonte: Elaboração do autor

3.7 Término da fermentação No inicio da fermentação e no final é feita a medição de densidade. Com os valores da densidade Inicial (OG) menos a densidade final (FG) é possível prever a quantidade de álcool a cerveja possui. Quando a densidade 25

final não variar mais em um período de 24 horas já é considerado o fim da fermentação. 3.8 Maturação Encerrada a fermentação é recomendado que a cerveja passe por um período de maturação. A maturação tem a finalidade de decantar particular em suspenção e eliminar alguns off-flavors gerados pelo fim da fermentação. Esta etapa é recomendada, não obrigatória. 3.9 Envase Para envasar a cerveja é necessárias garrafas lavadas e sanitizadas. Ainda sim é necessário acrescentar de 6 a 8 gramas de açúcar por litro de cerveja. Como a levedura ainda está viva, ela consumirá o açúcar criando CO² em cada garrafa. A cerveja após a maturação estará sem CO² e com o açúcar irá criar o CO² necessário para formação da espuma.

Figura 08: Cerveja engarrafa. Fonte: Elaboração do autor

4. CRIAÇÃO DO SISTEMA DE AUTOMAÇÃO DE UM CIRCUITO COMPLETO DE CONTROLE DE TEMPERATURA NA BRASSAGEM O objetivo é criar uma programação que receba o valor de temperatura, ligue ou desligue a resistência de acordo com o valor. A programação também ligará a bomba de recirculação que ajudara controle de 26

temperatura e no momento recirculação, logo após mash-out, para clarificar o mosto. Conforme Cole (2013). 4.1 Componentes para o projeto Para os testes no controle de temperatura e recirculação na etapa de conversão de açucares e inativação de enzimas, os seguintes itens comentados abaixo serão necessários.

4.1.1 Controlador lógico programável (CLP) O controlador lógico programável escolhido foi o modelo CLW02/10HR-A, fabricado pela WEG. Este modelo possui seis entradas digitais e quatro saídas digitais. O custo-beneficio foi um dos motivos para a escolha deste controlador. Com preço mais acessível e com facilidade para ser encontrado. Outro motivo da escolha é o software de programação para este controlador. O software serve como simulador, sem a necessidade de um controlador físico para executar testes de funcionamento da lógica e assim comprovar o funcionamento da lógica.

4.1.2 Controlador indicador de temperatura (TIC) O controlador indicador de temperatura utilizado será o TIC 17 fabricado pela Full Gauge. Novamente a escolha foi feita levando em conta o custo beneficio do instrumento. O controlador indicador de temperatura é fundamental para o processo. Nele a temperatura de cada etapa será configurada e ele “avisará” através de um contato elétrico de saída que está ligado a uma entrada digital do CLP. 27

Figura 09: Controlador Indicador de Temperatura TIC17. Fonte: Elaboração do autor

4.1.3 Resistência elétrica A resistência é um componente elétrico que transforma energia elétrica em calor. Esse calor gerado manterá o mosto dentro das faixas de temperatura escolhidas. Será acionada para esquentar e desligada quando a temperatura alcançar o valor desejado. 4.1.4 Bomba de recirculação A bomba de recirculação ajuda no controle de temperatura e beneficiamento da cerveja. Quando acionada retira o liquido do fundo da panela para o topo. Recirculando o líquido possibilitando que a temperatura esteja igual tanto na parte de cima quanto na parte de baixo. A recirculação também beneficia a cerveja. Os grãos de malte moídos ficam no fundo da panela, funcionado como uma camada filtrante. O liquido passa por essa camada ficando mais limpo e contribuindo para próximas etapas do processo.

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Figura 10: Bomba de recirculação. Fonte: Elaboração do autor

4.1.5 Panela cervejeira com filtro para malte A panela cervejeira é o local onde toda mágica acontece. É uma panela de cozinha industrial, com uma torneira acoplada para retirada do liquido. Possui um filtro na parte interna para evitar que os grãos de malte passem pela torneira. O controle da temperatura e recirculação será baseado nas informações coletadas na panela cervejeira.

Figura 11: Panela cervejeira com torneira. Fonte: Elaboração do autor 29

4.2 Lógica de programação A lógica de programação é um roteiro com uma determinada finalidade, baseado nas informações fornecidas. A finalidade deste roteiro é ligar ou desligar a resistência elétrica e a bomba de recirculação. A informação fornecida é a temperatura do liquido e a sua variação durante o tempo. Entendendo o que precisa ser feito e o próximo passo é desenvolver a programação. .2.1 Blocos de Função (FB) O CLP escolhido pode ser programado em dois tipos de programação. Em ladder e em blocos de função. A lógica pode ser desenvolvida das duas maneiras, mas, os Blocos de Função tem a vantagem de ter uma melhor visualização de toda a lógica e assim facilitar o acompanhamento do seu funcionamento. A linguagem consiste em blocos com funções definidas, que a cada etapa completada acionam outros blocos desde a leitura das entradas até o acionamento das saídas.

Figura 12: Lógica de programação. Fonte: Elaboração do autor 30

Na imagem acima, é possível ver toda lógica de programação. Quando a lógica está sendo executada a facilidade em acompanhar cada etapa é muito grande. .2.2 Blocos e componentes lógicos Antes de iniciar a programação, as entradas e saídas precisam ser definidas. É necessário saber o que precisar ser controlado. A seguir tabela com a relação de entradas e saídas. Descrição

Identificação

Entrada Liga

I01

Entrada Desliga/Emergência

I02

Entrada digital Sensor de temperatura

I03

Saída Liga / Desliga Resistência

Q01

Saída Liga / Desliga Recirculação

Q02

Tabela 01: Entradas e saídas. Fonte: Elaboração do autor

Conforme a tabela acima as entradas digitais são representadas pela letra I e saídas digitais pela letra Q. A entrada Liga é responsável por iniciar o processo de controle. Quando for acionada a temperatura começa a ser analisada eu processo lógico é iniciado.

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Figura 13: Entrada liga. Fonte: Elaboração do autor

A entrada Desliga / Emergência tem finalidade de interromper o processo a qualquer momento e por qualquer motivo. Normalmente em lógica de programação botões ou chaves de emergências são necessários. Visam à segurança das pessoas e equipamentos envolvidos.

Figura 14: Entrada Desliga / Emergência. Fonte: Elaboração do autor

A entrada digital Sensor de Temperatura recebe diretamente o sinal do Controlador indicador de Temperatura (TIC). Toda fez que o líquido alcançar a temperatura determinada, o TIC que está constantemente verificando a temperatura, acionará a entrada digital do CLP. Desta maneira desligando a resistência elétrica e interrompendo a geração de calor.

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Figura 15: Entrada de Temperatura. Fonte: Elaboração do autor

A saída Liga / Desliga Resistência é a saída responsável pela temperatura no processo. Quando ligada esquenta o liquido. Quando não acionada o líquido abaixa a temperatura normalmente até chegar ao valor configurado no processo. O seu acionamento então fica condicionado a uma temperatura para ligar e desligar.

Figura 16: Saída Liga/Desliga Resistência. Fonte: Elaboração do autor

Depois da conclusão do processo de controle de temperatura é necessário iniciar a recirculação do líquido. A saída Liga/Desliga Recirculação é acionada por um tempo determinado permitindo que o líquido passe pela camada de grãos no fundo da panela. A cada vez que o liquido passa é filtrado ficando mais limpo para a próxima etapa.

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Figura 17: Saída Liga/Desliga Recirculação. Fonte: Elaboração do autor.

Apesar de ser uma lógica de simples funcionamento é necessário implementar outros recursos para o funcionamento adequado. Não basta ligar ou desligar a resistência elétrica ou simplesmente ligar a bomba de recirculação. É necessária a definição de tempos para cada etapa. Por estes motivos, na lógica, foram inseridos alguns contadores e temporizadores complementares a lógica de funcionamento. A seguir a descrição destes componentes: Descrição

Identificação

Tempo de controle de temperatura

Timer B005

Tempo de recirculação

Timer B012

Contador Auxiliar Liga

Contador B014

Contador Auxiliar Temperatura

Contador B011

Contador Auxiliar 1 Recirculação

Contador B009

Contador Auxiliar 2 Tempo de

Contador B013

Recirculação

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Tabela 02: Contadores e temporizadores. Fonte: Elaboração do autor

O Contador Auxiliar Liga tem a função de receber o comando liga e manter ligado até que venha outro comando e faça um reset. Na hora de ligar ao acionar a entrada digital liga por uma vez ou várias vezes o Contador Auxiliar Liga permanecerá acionado, até que a programação seja concluída ou até a chegada do comando desliga.

Figura 18: Contador Auxiliar Liga. Fonte: Elaboração do autor

O temporizador Tempo de Controle de Temperatura e o Contador Auxiliar de Temperatura trabalham juntos para suprir a necessidade de contar o tempo de controle de temperatura. O temporizador foi configurado para contar meio segundo e aguardar meio segundo para acionar a saída. Com isso ele fornece um pulso de 1 segundo que o contador vai acumulando. Assim é possível controlar o tempo em segundos. Como exemplo para contar uma hora seria necessário configurar o valor de ajuste do Contador Auxiliar de Temperatura para 3600. Esse valor é resultante de 60 segundos (um minuto) multiplicado por 60 vezes, totalizando uma hora.

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Figura 19: Temporizador e Contador do Controle de temperatura. Fonte: Elaboração do autor

A etapa onde acontece a contagem de tempo de recirculação tem a mesma funcionalidade do contador do controle de temperatura. Um temporizador de recirculação trabalha produzindo pulsos de 1 segundo. O Contador de Recirculação conta esses pulsos até chegar ao valor desejado.

Figura 20: Temporizador e Contador de Recirculação. Fonte: Elaboração do autor.

4.2.3 A lógica de controle de temperatura e recirculação Acionando a entrada digital I01 – Liga a lógica verificar duas condições antes de ligar a resistência elétrica. Verifica o valor da temperatura 36

no TIC, se a temperatura já estiver no limite configurado, a entrada do TIC é acionada e a resistência não é energizada. Outra situação considerada é se entrada de desliga estiver acionada, assim, impedindo também o acionamento da resistência. Desta forma, se nenhumas das condições estiverem ativas, o comando liga acionará a resistência e o liquido começara a esquentar. Agora a resistência permanece ligada, aguardando o acionamento da entrada do TIC. Toda vez que a entrada digital I03 – Entrada Digital do Sensor de Temperatura estiver acionada significa que a temperatura chegou ao valor máximo configurado. Ele permanecerá acionado até que a temperatura abaixe até outro valor também configurado. Desta maneira a temperatura permanecerá próxima do esperado na configuração. A resistência ligará ou não de acordo com o acionamento do TIC. A partir do acionamento do TIC pela primeira vez o temporizador e o contador começam a funcionar. O tempo é acumulado até atingir o valor que foi configurado. Neste intervalo a temperatura continua sendo controlada pela ação do TIC e da resistência. Importante entender que lógica apresentada está pronta para contar e controlar apenas uma temperatura demonstrando o funcionamento de maneira simples e direta. Em receitas mais elaboradas de cervejas, são necessários duas ou mais faixas de temperatura. Para adequar essa necessidade à parte lógica, para cada faixa de temperatura a mais, basta inserir mais um temporizador e um contador em série com os já existentes. Mantendo as mesmas propriedades e alterando apenas o tempo de duração. Para cada faixa de temperatura o TIC precisa ser ajustado também. Voltando a contagem de tempo no controle de temperatura, após alcançar o tempo necessário, a próxima etapa é acionada. A saída Q02 – Liga / Desliga Recirculação é acionada e a bomba de recirculação começa a funcionar. O tempo do Contador de Recirculação começa a ser incrementado e acumulado. 37

Figura 21: Líquido na Recirculação. Fonte: Elaboração do autor

Após o termino da recirculação, quando o tempo foi atingido, a lógica foi concluída. Todos os contadores e temporizadores são reiniciados e a lógica está pronta para começar de novo.

CONSIDERAÇÕES FINAIS Um resultado interessante desta pesquisa desenvolvida foi que o controlador escolhido para o projeto utilizou apenas metade das suas entradas e saídas digitais. Possibilitando controlar mais de um processo ao mesmo tempo. Para isto bastaria duplicar a lógica, ligar as novas entradas e saídas digitais e determinar o tempo de atuação no controle de temperatura e recirculação. Outro resultado interessante do estudo foi a comprovação do funcionamento adequado da bomba de recirculação. Muito mais prático que a recirculação manual e deixando o mosto extremamente limpo para etapa de fervura. Um resultado alcançado que comprova que o funcionamento do projeto foi que a densidade inicial (OG) determinada na receita foi alcançada. 38

Esse resultado foi alcançado porque a etapas de conversão de amido em açucares fermentáveis e não fermentáveis ocorreu dentro do planejado. Todas as rampas de temperaturas que foram programadas foram atingidas e consequentemente o mosto foi bem preparado. Mesmo que a concepção da lógica seja destinada a fabricação de cerveja caseira, o modelo de controle atenderia muito bem a microcervejarias. Para isto, seria necessário apenas dimensionar os equipamentos. Teremos volumes maiores de cerveja, e com isso, precisaríamos gastar mais energia para o controle de temperatura. Adequando sistemas elétricos, quantidade de água e demais necessidades do processo. Como demonstrado, o controle funciona de maneira adequada. Mesmo buscando uma relação de custo beneficio na aquisição dos componentes para o projeto, o projeto funcionou muito bem e atenderam o que foi proposto. A temperatura foi controlada adequadamente minimizando e muito a ação humana nesta etapa do processo.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE INDÚSTRIA DA CERVEJA (CERVBRASIL). Mercado Cervejeiro. Disponível em: . Acesso em 10 de jan. 2016. BELTRAMELLI, Mauricio. Cervejas, brejas e birras: um guia completo para desmistificar a bebida mais popular do mundo. 2. ed. São Paulo: Leya, 2014. CERCHIARO, Denis Fava. Controle de Temperatura de Trocador de Calor. 2006. 125 páginas. Dissertação – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, São Paulo em 2006. CNI, Confederação Nacional da Indústria. Instrumentação e Controle: Guia Básico. Disponível em: COLE, Melissa. Vamos falar de cerveja: Um guia completo. São Paulo: Marco Zero, 2012. DIAS, Marina Oliveira de Sousa. Simulação do Processo de Produção de Etanol a partir do açúcar e do bagaço, visando a integração do processo e a maximização da produção de energia excedentes do bagaço. 2008. 282 páginas. Dissertação – UNICAMP. Campinas, São Paulo em 29/08/2008. http://arquivos.portaldaindustria.com.br/app/conteudo_18/2014/04/22/6281/In strumentao_corrigido.pdf. Acesso em 20 de nov. de 2015. MELLO, Alexandre Galvão Brasileiro de. Redução e Reaproveitamento de água no Processo de Produção de Etanol: Um estudo de Caso. 2012. 74 páginas. Dissertação – Universidade Federal de São Carlos, São Paulo em 2012.

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OLIVER, Garrett. Mesa do Mestre-Cervejeiro: Descobrindo os prazeres das cervejas e das comidas verdadeiras. São Paulo: Editora SENAC São Paulo, 2012. SILVA, Daniel Pereira da. Produção e Avaliação Sensorial de Cerveja Obtida a Partir de Mostos com Elevadas Concentrações de Açúcares. 2005. 177 páginas. Tese – Faculdade de Engenharia Química de Lorena, São Paulo em 2005. TOSTES, Lucas Rodrigues de Moraes. Instrumentação e controle do processo de produção de uma microcervejaria. 98 f. Monografia (Engenharia de Controle e Automação). Escola Politécnica da UFRJ, 2015.

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AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL: CONSTRUÇÃO DE UM BRAÇO ROBÓTICO UTILIZANDO SERVOMOTORES CONTROLADOS POR ARDUINO3 Demétrius Rodrigues4 Coautoria Magna Campos “Talvez não tenhamos conseguido fazer o melhor. Mas lutamos para que o melhor fosse feito. Não somos o que deveríamos ser, não somos o que iremos ser, mas graças a Deus não somos o que éramos”. Martin Luther King

RESUMO Este trabalho visa desenvolver, como base no aprendido no curso de automação industrial, uma pesquisa experimental de caráter exploratório referente à construção de um braço robótico utilizando em sua estrutura materiais simples como PVC, ABS e peças de sucata. O objetivo é que produto final seja capaz de manusear objetos entre alguns pontos distintos, podendo identificar quantos objetos se encontram nesses pontos e deslocá-los de forma manual ou automática. A metodologia é a experimental, valendo-se de materiais disponíveis e visando custo/benefício, além do uso de servomotores, que são os responsáveis por fornecer dinâmica, controlar a rotação, dar o torque constante e a precisão de posicionamento controlados por Arduíno e uma eficiente fonte de alimentação para garantir uma maior precisão em seus movimentos. Ao final da montagem, o braço funcionou de forma satisfatória, mostrando ser possível construir um equipamento de boa precisão e baixo custo. PALAVRAS-CHAVE: Automação, Servomotores, Arduíno, Reguladores de Tensão, Braço Robótico.

Capítulo adaptado a partir de TCC orientado pela Profª. Ms. Magna Campos, na Faculdade Adjetivo-CETEP, em 2016. 4 Tecnólogo em Automação Industrial. 3

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INTRODUÇÃO A automação surgiu como o caminho para a redução da participação da “mão humana” sobre os processos industriais (GOEKING, 2010) e desde o século X tem-se o registro da evolução tecnológica, como exemplificado na Figura 1. Segundo Goeking (2010), tudo começou com utilização, em larga escala, do moinho hidráulico para fornecimento de farinha. Esta foi uma das primeiras criações humanas com o objetivo de automatizar o trabalho, ainda que de forma arcaica. Todos esses acontecimentos deram origem a uma fase constante de evoluções na busca de solucionar problemas e formas de trabalho arcaicas.

Figura 1: Acontecimentos históricos. Fonte: Material elaborado pelo autor.

Mesmo com essa grande evolução, o conceito de automação foi instituído nos Estados Unidos apenas em 1946, nas fábricas automotivas e, atualmente, o termo significa qualquer sistema que utilize computação e que substitua o trabalho humano com o intuito de aumentar a velocidade e a qualidade dos processos produtivos, a segurança dos funcionários, além de 43

obter maior controle, planejamento e flexibilidade da produção (GOEKING, 2010). Como um dos ramos da automação tem-se a robótica, ciência e estudo da tecnologia associada com o projeto, fabricação, teoria e aplicação dos robôs. Dentro deste vasto campo que é a robótica, destacam-se os chamados manipuladores robóticos. Estes manipuladores são encontrados nos mais diversos campos de aplicações desde áreas industriais, onde desempenham papéis como manipulação de materiais, soldagem, pintura, etc., até a área médica, onde são utilizados para fazer tele cirurgias. Dentro deste contexto, o projeto experimental foi desenvolvido por um sistema composto por um braço robótico articulado utilizando servomotores. O projeto é composto por uma base, um braço e um antebraço que realizam movimentos angulares e transversais e na sua extremidade uma garra que abre e fecha podendo segurar objetos. Entre o antebraço e a garra existe uma articulação que após ajustada trabalha fixa. Sendo assim, torna-se possível o manuseio dos materiais a serem manipulados. É comum em um ambiente industrial deparar-se com setores insalubres, os quais expõem os funcionários a agentes físicos, químicos e/ou biológicos. Visando a proteção e a segurança dos operadores, tem-se nos dias atuais o desenvolvimento de meios alternativos para substituir a exposição do homem aos riscos citados. Dessa forma, propõe-se com esse projeto, a elaboração do braço robótico, que tem por finalidade a manipulação de materiais/ produtos em ambientes de risco. O desenvolvimento deste estudo compreende os seguintes objetivos específicos: Adquirir habilidades nas áreas de sistemas robóticos, selecionando componentes mecânicos e eletrônicos visando o custo/benefício para construção de uma estrutura robótica; Explorar a linguagem computacional C através do uso do Arduíno; Compreender o mecanismo de funcionamento de um servomotor; 44

Construir versão prototípica experimental de um braço robótico. Como já foi citado, no setor industrial atual, há uma crescente necessidade de buscar meios alternativos de se realizar tarefas que possuem um grau de periculosidade elevado e, até mesmo, que exigem alta precisão e produtividade. Para solucionar tais problemas, tem-se, de forma eficiente, a interferência da automação industrial, em especial, a robótica. Devido a isso, a presença da robótica tem se afirmado, cada vez mais, no mercado industrial, fazendo impulsionar, também, uma curiosidade acerca do assunto. No projeto experimental descrito ao longo desse texto, buscou-se permitir uma aproximação técnica com o ramo da robótica, tão influente nos dias atuais. É importante observar, também, que, ao desenvolver um braço robótico, deseja-se maximizar a noção de acessibilidade e viabilidade a essa tecnologia, tornando-se possível, principalmente, responder curiosidades pessoais a respeito do assunto. No capítulo 1, portanto, será tratada a questão da automação e do servomotores, têm-se aí uma explicação detalhada da estrutura e funcionamento os servomotores tanto em aspectos teóricos quanto práticos. No capítulo 2, tratou-se do Arduíno e dos circuitos eletrônicos, nele são definidos todos os conceitos teóricos utilizados como base para o projeto experimental, assim como o próprio Arduíno, a programação realizada no projeto experimental e vários periféricos usados. No capítulo 3, apresenta-se a parte prática com mais detalhamento da construção experimental do braço robótico, apresentam-se os resultados obtidos ao final do projeto e sua conclusão. 2. AUTOMAÇÃO E SERVOMOTORES Desde a concepção do tema deste trabalho, teve-se a preocupação de unir os conhecimentos teórico e técnico adquiridos ao longo do curso com as ferramentas disponíveis no ambiente de trabalho, tornando-se possível a construção de um braço robótico prático e de baixo custo. Escolheu-se, com 45

a ajuda da orientação, elaborar capítulos que tratassem da prática desde o início do estudo, mesclando-a a teoria necessária. Para compreender melhor o desenvolvimento do braço robótico, serão descritos, a seguir, alguns fatores fundamentais em sua realização.

2.1 Estrutura robótica O braço robótico é composto pela base, pelo braço e antebraço e, por fim, pela garra. Com a finalidade de oferecer suporte a estrutura mecânica, tem-se a base fixa: peça onde é acoplado o braço e, em seguida, o antebraço. Na extremidade do braço mecânico foi anexada uma garra, que é destinada a realizar a manipulação do produto/material, determinada pelos comandos exigidos durante a aplicação do projeto. O braço consiste de elementos denominados elos unidos por juntas de movimento relativo (fig. 2), onde são acoplados os acionadores (servomotores) responsáveis por produzir os movimentos instruídos por um sistema de controle. Um servomotor fornece dinâmica, controle de rotação, torque constante e precisão de posicionamento (OTTOBONI, 2002).

Figura 2: Diagrama esquemático do braço robótico. Fonte: Material elaborado pelo autor. 46

É importante frisar que toda a estrutura robótica foi construída utilizando materiais como PVC, ABS e peças de sucata. A escolha referente ao PVC justifica-se pelo fato de apresentar facilidade de manuseio, resistência a produtos químicos, reciclável e, sobretudo, baixo custo. O ABS foi utilizado em peças mais detalhadas, visando aumentar a precisão do trabalho. Essas peças em ABS foram projetas em programas 3D (AutoCad e SolideWorks) e impressas em uma impressora de 3 dimensões. As peças em ABS foram a base da primeira articulação, as tampas dos recipientes dos objetos manipulados, o painel de controle e a garra. A base fixa possui um tubo de PVC emparelhado com um disco, de mesmo diâmetro e do mesmo material. Esse disco é utilizado para dar suporte ao rolamento responsável por transmitir o movimento de rotação, que é produzido pelo servomotor posicionado na parte interior da base e, também, dar suporte a primeira articulação que irá rotacionar o braço robótico numa faixa de 0º a 180º. Na peça da primeira articulação, estão fixados o segundo, e o terceiro servomotor, o qual realiza um movimento transversal (0º a 150º) do braço. O servo adjacente é uma articulação que simula um “cotovelo” e o da extremidade do braço é responsável por abrir e fechar a garra. Quanto ao servo da base, a princípio foi utilizado apenas um servomotor, porém, este não conseguiu erguer o braço (fig. 3).

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Figura 3: articulação de um único servomotor. Fonte: Material elaborado pelo autor.

Para resolver este problema, foi elaborada uma nova peça em ABS e colocado um novo servo motor trabalhando em paralelo com o anterior. Com isso o torque aumentado consideravelmente e o braço foi capaz de manipular objetos. Sendo assim, ao finalizar a construção da parte física do projeto: confecção do braço robótico, tem-se o levantamento dos componentes a serem utilizados durante o desenvolvimento do projeto, bem como sua respectiva finalidade (Tabela 1). Tabela 1- Lista de materiais Material

Utilização

Arduíno Pro Mini

Controlador.

CI 7805

Regulador de tensão.

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Servomotores

Movimento de rotação e translação do braço robótico. Também utilizado na garra.

Potenciômetros

Controle dos movimentos.

Botões

Controle da garra, sentido de movimentos e comutação do modo manual para o automático.

Fonte de 12V

Alimentação dos circuitos

Fios elétricos

Conexão elétrica entre os componentes eletrônicos.

Protoboard

Onde é montado todo circuito

Placa reguladora de tensão

Responsável por estabilizar a tensão no Arduíno

LED

Componente eletrônico emissor de luz

LDR

Dispositivo sensível à variação de luz Tabela 1: Lista de materiais. Fonte: elaboração do pesquisador

Ao unir esses componentes de acordo com uma determinada lógica de operação, atinge-se a automatização desejada e aplicada ao tema de estudo. O processo de automatização do braço mecânico pode ser esquematizado de acordo com o diagrama de blocos presente na figura 4.

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Figura 4: Diagrama de blocos do projeto de braço robótico. Fonte: Material elaborado pelo autor.

2.2 Sistema de controle Uma das partes importantes do trabalho é o modo como o braço é operado. O sistema de controle ideal seria joystick auxiliado por botões que, de modo intuitivo, repetiria os movimentos feitos por ele. Devido ao custo, optou-se por potenciômetros para realizar os movimentos. Extraídos de sucata, os potenciômetros são diferentes uns dos outros assim como os botões, mas todos eles foram trabalhados para atenderem ao projeto.

2.3 Potenciômetros e Botões Ao iniciar o Arduíno, ele faz a leitura do primeiro botão que comuta de automático para manual. O modo automático é operado por dois botões. O primeiro manipula os objetos da direita para a esquerda, e o segundo manipula os objetos da esquerda para direita. O modo manual opera com 3 potenciômetros e um botão. O primeiro potenciômetro é responsável pelo movimento angular horizontal (180º), o segundo potenciômetro é responsável pelo angular vertical (90º), o terceiro

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potenciômetro é responsável pelo movimento longitudinal (aproximadamente 30 cm) e o botão abre ou fecha a garra (fig. 5).

Figura 5: Potenciômetros e Botões. Fonte: Material elaborado pelo autor.

2.4 Servomotores Também conhecidos como servos são os “músculos” do projeto. Em conjunto foram dimensionados para sustentar sua própria estrutura e mover objetos. Segundo Mott (MOTT, 1999), McManis (CHUCK MCMANIS, 2006) e Braga (BRAGA, 2002), servomotores são dispositivos de malha fechada, ou seja, recebem um sinal de controle, verificam a posição atual e atuam no sistema indo para a posição desejada. Em contraste com os motores contínuos que giram indefinidamente o eixo dos servomotores possui a liberdade de aproximadamente 180 graus e bem precisos quanto à posição. Para isso possuem três componentes básicos:

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2.4.1Sistema Atuador: O sistema atuador é constituído por um motor elétrico, embora também possa encontrar servos com motores de corrente alternada, a maioria utiliza motores de corrente contínua. Também está presente um conjunto de engrenagens que forma uma caixa de redução com uma relação bem longa o que ajuda a amplificar o torque. O tamanho, torque e velocidade do motor, material das engrenagens, liberdade de giro do eixo e consumo são características chave para especificação de servomotores. 2.4.2 Sensor: O sensor normalmente é um potenciômetro solidário ao eixo do servo. O valor de sua resistência elétrica indica a posição angular em que se encontra o eixo. A qualidade dele vai interferir na precisão, estabilidade e vida útil do servomotor. Ainda existem servos que utilizam "encoders" ou outros tipos de sensores de posição. 2.4.3 Circuito de Controle: O circuito de controle é formado por componentes eletrônicos discretos ou circuitos integrados e, geralmente é composto por um oscilador e um controlador PID (Controle proporcional integrativo e derivativo) que recebe um sinal do sensor (posição do eixo) e o sinal de controle, então aciona o motor no sentido necessário para posicionar o eixo na posição desejada. Os Servos usados no projeto possuem três fios de interface, dois para alimentação e um para o sinal de controle. É alimentado com tensões de 5 V e recebe um sinal no formato PWM (Pulse Width Modulation). O circuito de controle do servo fica monitorando este sinal em intervalos de 20 ms. Se neste intervalo de tempo, o controle detecta uma alteração do sinal na largura do sinal, ele altera a posição do eixo para que a sua posição coincida

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com o sinal recebido. Possui três características básicas: Largura mínima, largura máxima e taxa de repetição. A largura do pulso de controle (fig. 6) determinará a posição do eixo: Largura máxima equivale ao deslocamento do eixo em + 90° da posição central; Largura mínima equivale ao deslocamento do eixo em -90°; Demais larguras determinam a posição proporcionalmente.

Figura 6: Largura do Pulso de controle. Fonte: eletroeletronicaetec.wordpress.com

2.5 Função de um servomotor Os servomotores são usados em várias aplicações quando se deseja movimentar algo de forma precisa e controlada. Sua característica mais marcante é a capacidade de movimentar o seu braço até uma posição e mantê-lo, mesmo quando sofre uma força em outra direção. Segue abaixo a figura 7 com as partes de um servomotor:

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Figura 7: Partes do Servomotor.

Fonte: eletroeletronicaetec.wordpress.com

Circuito de Controle – Responsável pelo monitoramento do potenciômetro e acionamento do motor visando obter uma posição prédeterminada; Potenciômetro – Ligado ao eixo de saída do servo, monitora a posição do mesmo; Motor – Movimenta as engrenagens e o eixo principal do servo; Engrenagens – Reduzem a rotação do motor, transferem mais torque ao eixo principal de saída e movimentam o potenciômetro junto com o eixo; Caixa do Servo – Caixa para acondicionar as diversas partes do servo. 2.6 Funcionamento de um servomotor O circuito básico (fig. 8) de um servo motor utiliza um amplificador operacional ligado como comparador, dois transistores de potência e um motor de corrente contínua acoplado a uma caixa de redução (NEWTON C. BRAGA, 2015).

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Figura 8: circuito básico de servomotor. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a

Existe um potenciômetro de realimentação acoplado ao eixo da caixa de redução, funcionando como um sensor de posição da alavanca. Esta caixa de redução tem uma importante função no servo. Com ela, o sistema pode: Reduzir a velocidade de ação de modo que o potenciômetro acoplado não envie variações de posição muito rápidas ao circuito a ponto de causar sua instabilidade de funcionamento, e do próprio dispositivo mecânico externo que vai ser controlado. Aumentar o torque de modo que a alavanca possa movimentar pesos maiores. A taxa de redução desta caixa depende da aplicação. Existem, por exemplo, caixas de redução com taxas elevadas de redução que, pode-se, com um motor de corrente contínua de 3V ou 6V, movimentar grandes pesos. Com esta redução é possível elaborar bons servos para a aplicação em

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Robótica e Mecatrônica (NEWTON C. BRAGA, 2015). A figura 9 ilustra os tipos de redução:

Figura 9: Caixa de redução para robótica e montagem de servos. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a

Os servomotores funcionam de uma maneira muito simples. Quando ligados à alimentação do circuito na entrada do comparador de tensões, que é o amplificador operacional, aparecem duas tensões. Uma delas é a tensão aplicada por um potenciômetro de controle externo ou de um circuito que envia ao servo a informação sobre a posição em que seu braço deve ser levantado. A outra é a tensão aplicada pelo potenciômetro ligado ao eixo da caixa de redução, que diz em que posição o braço do servo se encontra. Se a tensão aplicada pelo potenciômetro sensor for maior do que a aplicada pelo comando, indica que o braço está além da posição desejada, o comparador envia um sinal que faz com que o transistor Q1 conduza o braço e o motor gire no sentido de trazer de volta à posição desejada. O ganho do comparador deve ser tal que quando o potenciômetro chegar perto da 56

posição desejada, a tensão caia rapidamente e o motor pare (NEWTON C. BRAGA, 2015). Se o potenciômetro sensor, por outro lado, enviar um sinal que corresponda a uma tensão que “diga” ao comparador que o braço está antes da posição desejada, a saída do comparador será invertida e o transistor Q2 é que vai conduzir avançando o braço até onde queira. Se o ganho for muito alto, poderá ocorrer uma oscilação, já que o circuito e o motor têm certa inércia, e o motor passará então da posição original, devendo voltar conforme mostra a figura 9. O motor inverte a rotação e isso pode ocorrer diversas vezes. A figura 10 representa esse processo:

Figura 10: Comportamento no ajuste de posição de um servo. Fonte: http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/robotica/5164-mec066a

O projeto de um servo deverá ser dotado de um sistema de amortecimento rápido e de ganho operacional para que não ocorram tais oscilações. Mudando o comando de posicionamento de um servo, o comparador intende imediatamente a diferença de tensão enviada pelo potenciômetro sensor e trata de fazer a correção com a condução de Q1 e Q2, conforme seja necessário (NEWTON C. BRAGA, 2015). 57

3. ARDUÍNO E CIRCUITOS ELETRÔNICOS

Segundo McRobert (2011), Arduíno é um pequeno computador que se pode programar para processar entradas e saídas entre os dispositivos e os componentes a ele conectados. É um hardware livre projetado com microcontrolador Atmel, programado em linguagem C/C++. 3.1 Arduíno Nos dias de hoje existem vários tipos de Arduíno, eles se diferenciam de acordo com o número de portas, quantidade de memória recursos da placa, tamanho físico entre outros. O Arduíno escolhido para o projeto foi o Pro Mini, bem compacto, mas com portas suficientes para acoplar todos os dispositivos de entrada e saída. O Arduíno Pro Mini tem como base o microcontrolador ATMega328p com clock de 16Mhz trabalha com tensão de 5v. Possui 14 portas digitais (das quais 6 podem ser usadas como saídas PWM) e 8 entradas analógicas, tal qual figura 11:

Figura 11: Arduino Pro Mini. Fonte:

https://learn.sparkfun.com/tutorials/using-the-arduino-pro-mini-33v

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3. 2 Conversor de usb para serial FTDI O Arduíno Pro Mini por ser muito compacto não possui um conversor USB serial como o UNO ou o Mega. Dessa forma, para fazermos o upload do código do computador para o Arduíno, é necessário plugarmos a ele um conversor. Este conversor tem a única função de adaptar o pc ao Arduíno e tem como componente principal um CI chamado FTDI. Após o upload este conversor pode ser desplugado. A imagem da figura 12 demonstra o exposto:

Figura 12: Conversor USB Serial FTDI. Fonte: https://www.tindie.com/products/upgradeindustries/ftdibasic-usb-to-serial-converter/

3.3 Módulos reguladores de tensão Uma das partes mais importantes do projeto é a alimentação. Assegurar que os circuitos trabalhem com tensões corretas e estabilizadas é essencial para precisão dos movimentos. Para maior segurança e comodidade os circuitos reguladores de tensão foram divididos em 2 módulos. O de alta corrente para garantir o torque dos servomotores e o de baixa corrente que alimenta os circuitos lógicos. 3.3.1 Circuito regulador de tensão de baixa corrente Este circuito foi desenhado especificamente para facilitar a alimentação de projetos em Protoboard. Possui encaixe padrão podendo alimentar as duas linhas laterais do Protoboard com duas tensões distintas 5V e 3,3V com corrente máxima de 1A. Para tanto ela é dotada de 2 59

conjuntos e jumpers que chaveiam de modo independente a saída do circuito. Possui conector P4 em sua entrada podendo ser alimentado com tensões que variam de 7 a 32V. Tem também um interruptor que liga e desliga a entrada e um led para sinalizar, conector USB padrão e pinos para alimentar dispositivos não acoplados a protoboard. Existem vários fabricantes deste módulo, a que usamos é da marca YwRobot. A figura 13 é a imagem dele:

Figura 13: Placa reguladora de tensão. Fonte: http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-712897937-kitprotoboard-regulador-de-tenso-65-jumpers-_JM

3.3.2 Circuito regulador de tensão de alta corrente Um dos reguladores de tensão utilizados no projeto é o CI LM7805, de baixo custo e fácil de encontrar no mercado, tem o objetivo de estabilizar a tensão que alimenta os leds e os servomotores. Este CI trabalha na linha positiva estabilizando a tensão em 5V com relação à linha negativa, independente das variações de tensão na entrada do circuito. Foi ligada a entrada desse circuito uma fonte de alimentação retirada de um monitor velho de 12V que fornece correntes de até 3,5A. Além de estabilizar a tensão, ele consegue suportar em seus terminais uma corrente de até 1,5A dotado de um bom dissipador de calor. Na figura 10 podemos observar o CI no encapsulamento TO-220, o pino 1 é a tensão de entrada, o pino 2 é o

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comum, ligado ao GND e o pino 3 a saída do componente, conforme figura 14.

Figura 14: Circuito Integrado 7805. Fonte: https://www.robocore.net/loja/produtos/regulador-de-tensao-5v-7805.html

Durante a criação do braço mecânico, um único regulador de tensão não foi suficiente para alimentar todo o projeto, dessa forma, foi adicionado mais um CI ao circuito montados em um radiador de calor de alumínio para evitar a queima por superaquecimento. Tais componentes foram ligados em paralelo, com a finalidade de dobrar a corrente para alimentar todos os servos. Uma resistência foi adicionada a saída de cada regulador, com a finalidade de balancear a corrente entre eles. Na figura 14 podemos observar como essa ligação foi feita.

Figura 15: Diagrama do regulador de tensão dos servosmotores. Fonte: material elaborado pelo autor. 61

3.4 Software Arduíno IDE Para que o Arduíno faça o que desejarmos, temos que escrever as instruções e gravar em sua memória. Usa-se então um programa de computador classificado como IDE, um software livre que tem sua linguagem própria baseada em C. Essa IDE usa um conjunto de códigos para que o Arduíno possa realizar seu trabalho passo a passo de forma lógica e coordenada. Depois do código escrito, encontra-se na parte superior do IDE o botão “Verificar” que aponta algum erro caso exista, e, se tudo estiver certo é hora de gravarmos o código no Arduíno. É plugado um cabo USB no computador e intermediando-o com o Arduíno pluga-se o circuito FTDI que adapta a porta USB à porta serial do Arduíno. Informamos ao IDE que tipo de Arduíno estamos usando e em qual porta está conectado. Agora clicamos no botão “Carregar” que fará o upload do código do computador para o Arduíno. Dois leds irão piscar (TX e RX) e no término do processo aparecerá a palavra “carregado”. Agora, desconectase o Arduíno do FTDI e vamos instala-lo no projeto. O Arduíno, então, executará essas instruções, interagindo com o que estiver a ele conectado. No mundo do Arduíno, esses códigos são conhecidos como sketches (rascunho, ou esboço) (MCROBERTS, 2011). A figura 16 abaixo se refere a esse processo:

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Figura 16: IDE Arduino (Versão 1.6.5). Fonte: https://blog.arduino.cc/2016/03/09/arduino-ide-1-6-8-available-for-download/

3.5 Código Utilizado O código utilizado no projeto está representado no fluxograma mais adiante. O programa primeiramente adiciona a biblioteca “servo.h”, nela estão as funções para o funcionamento dos servos. São declaradas as variáveis e definidas as portas de entrada e saída do Arduíno. O botão Bot.1 chaveia o sistema de automático (fechado) para manual (aberto) e vice versa. No modo automático, todos os movimentos são pré-configurados e os botões e sensores definem qual deverá ser efetuado.

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O botão 2 tem a função de passar os objetos do recipiente direito para o esquerdo, e o botão 3 do esquerdo para o direito, independente do número de objetos existentes no recipiente de origem, que pode variar de 1 a 3, caso não exista nenhum objeto, o braço permanece imóvel na posição inicial, conforme figura 17.

Figura 17: Braço na posição inicial. Fonte: material elaborado pelo autor.

Isso é possível devido aos leds e sensores fotoelétricos instalados nos orifícios de tal forma que o feixe de luz do led está apontado para o sensor. Quando o feixe de luz é interrompido, o sensor muda seu valor informando ao Arduíno que há um objeto presente, ao remover o objeto a luz do led incide no sensor que retorna ao valor inicial informando que o orifício está vazio. Podemos entender melhor a lógica observando o fluxograma da figura 18. No modo manual o braço fica livre para efetuar qualquer movimento que o operador queira, dentro de suas limitações, onde o primeiro potenciômetro faz o movimento de translação, o segundo o movimento superior e inferior, o terceiro movimento longitudinal e o botão 2 (Bot. 2) recebe outra função no 64

modo manual, a de abrir e fechar agarra. Então, o programa fica em loop, com a leitura dos valores vindos dos potenciômetros e botões, ajustando os servos de acordo com esses valores até que Bot.1 seja acionado comutando para o modo automático ou o sistema seja desligado.

Figura 18: Fluxograma do programa desenvolvido. Fonte: material elaborado pelo autor.

Legenda: Carregar: carrega biblioteca de servos e variáveis; Home: move o braço a posição inicial predefinida; Trab.: manipula objetos entre dois pontos predefinidos; Bot.: botão; Pot.: potenciômetro; Sens.: sensor. Mov.: realiza movimento em determinada articulação; 65

Abre: abre a garra; Fecha: fecha a garra. O código programado se encontra no APÊNDICE A.

4. O BRAÇO ROBÓTICO CONSTRUÍDO 4.1 O desenho metodológico Em fevereiro de 2015, surgiu a ideia de construir um braço robótico usando materiais de baixo custo e, até mesmo, sucateados. A ideia era montar um dispositivo central que manipulasse objetos em recipientes fixados a sua esquerda e a sua direita. Um projeto muito desafiador dado o grau de complexidade. Vários pontos foram analisados como a estrutura física, articulações, motores, modo de automação, fonte de alimentação, e, especialmente, como tornar esse desejo em uma pesquisa experimental que servisse à pesquisa. A maioria dos materiais foi adquirida de sucata e após um estudo, optou-se por usar PVC na estrutura mecânica. Isso foi possível através de um processo para obter placas planas de PVC a partir de tubos usados em encanamento de esgoto. Foram usados tubos de 100 mm diâmetro que foram cortados com aproximadamente 45 cm de comprimento e abertos com um corte longitudinal, preparados dessa maneira, são levados ao forno. Depois de aproximadamente 30 minutos, ainda quente, são submetidos a uma prensa de aproximadamente 20tn e após o seu resfriamento obteve-se uma chapa plana de PVC. O próximo passo foi a elaboração do esboço das peças. Inspirado num suporte de luminária tinha toda estrutura pronta em mente. Usando um programa de computador chamado Solidworks, as peças foram desenhadas e impressas em papel A4, depois são coladas nas chapas de PVC e cortadas usando uma máquina chamada serra de fita. Depois do corte é dado o acabamento com lixa d´água, dessa forma, as peças estão prontas para a 66

montagem. Outro recurso utilizado foi a impressão em 3 dimensões que possibilitou a confecção de peças mais detalhadas e precisas. Na primeira etapa foram montadas as peças em PVC, ABS, os servos e o rolamento da base deixando o projeto com a estrutura mecânica pronta para ser automatizada. No decorrer do processo começaram as alterações, com a base montada usando um motor de hard disk como rolamento, veio a ideia de também usar rolamentos (fig. 19) nas articulações do braço, pois, o torque dos servos se limita a apenas um dos lados, dessa forma, no outro lado foi instalado um pequeno rolamento com o objetivo de diminuir o atrito facilitando o trabalho dos servos.

Figura 19: Rolamento montado na estrutura. Fonte: material elaborado pelo autor.

A parte eletrônica teve como base uma Protoboard (fig. 20) que conecta os componentes eletrônicos. Entre eles temos o Arduíno, os botões, os potenciômetros, os servos e a fonte.

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Figura 20: Protoboard montada. Fonte: material elaborado pelo autor.

Finalizada a montagem, foi realizada a programação do Arduíno para que os movimentos fossem executados de acordo com o comando efetuado pelos potenciômetros e, assim, testar o projeto. O primeiro teste falhou, infelizmente o braço não conseguiu erguer seu próprio peso. Após estudar o problema, concluiu-se que a adição de um segundo servo a articulação da base resolveria o problema, para tanto, também seria necessário um aumento na corrente evitando quedas de tensão e superaquecimento do regulador de tensão garantindo a simetria dos movimentos desses servos. O regulador de tensão (fig. 21) foi dividido em dois. Um para alimentar o circuito lógico, o Arduíno e o outro para alimentar os servos. No regulador de tensão do Arduíno, foi usada uma placa própria para Protoboard, até então não utilizada devido à limitação da corrente em 1A, ilustrada na figura 21.

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Figura 21: Regulador de tensão de 1A. Fonte: material elaborado pelo autor.

O regulador inicial usa um CI LM7805, foi adicionado mais um ligado em paralelo e montados em um dissipador de calor; e então acomodados em uma embalagem de fita isolante como mostra a figura 22.

Figura 22: Regulador de tensão de 3A. Fonte: material elaborado pelo autor.

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Novamente foi projetada a peça da base, agora com suporte a dois servos e então impressa na impressora 3D (também construída pelo autor do projeto experimental). Como esses servos trabalham com o eixo voltado para dentro, o código do Arduíno foi editado para que o segundo servo atue, de forma simétrica, invertido do primeiro. Após a remontagem é hora do segundo teste. O braço não só sustentava seu próprio peso como era capaz de movimentar objetos (fig. 23).

Figura 23: Projeto concluído. Fonte: material elaborado pelo autor.

Em meados de agosto de 2016, visando aumentar o grau de automação do projeto, foram instalados sensores fotoelétricos e leds nos orifícios dos recipientes, dessa forma o braço sabe quantos objetos tem no recipiente de origem e pode manipulá-los da esquerda para direita e da direita para esquerda, de acordo com o comando do operador, independente do número de objetos existentes neste recipiente, figura de 24.

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Figura 24: Sensores e leds instalados. Fonte: material elaborado pelo autor.

A próxima série de figuras-fotografias ilustra o braço trabalhando no modo automático.

Figura 25, 26, 27 e 28: Processo modo automático. Fonte: material elaborado pelo autor.

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Figuras 25 e 26 em close:

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Figuras 27 e 28 em close:

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Após alguns ajustes, o braço conseguiu efetuar seus movimentos de forma satisfatória tanto no modo manual como no automático. CONSIDERAÇÕES FINAIS Após testes realizados, notou-se a necessidade de fazer algumas correções ao projeto inicial, mudando, por exemplo, o material da garra de PVC para ABS, bem como a implantação de mais um servomotor para aumentar o torque. A viabilidade desse projeto se deu devido à disponibilidade de maquinários instalados na Fundação Gorceix, à disponibilidade de uma impressora 3D e à facilidade de manuseio do PVC facilmente encontrado em sucata, reduzindo o custo do projeto. Ainda visando custo/benefício, o Arduíno Pro Mini foi o controlador escolhido para automação do braço, tendo o número de portas analógicas e digitais suficientes para execução do projeto. Com poucos recursos e muito trabalho, aliados ao conhecimento desenvolvido no curso, conseguiu-se em alguns meses chegar a um resultado satisfatório, abrindo um leque de empregabilidades que, com o investimento certo adequa-se o projeto ao mercado de trabalho como, por exemplo, manuseio de produtos nocivos e trabalhos em áreas insalubres. Depois de muitos esforços, testes, experimentos e estudos, o objetivo final foi alcançado, a construção de um braço robótico de qualidade e baixo custo. O PVC mostrou resistente, trazendo boa estrutura ao projeto, o Arduíno, como vimos, é de baixo custo e fácil de encontrar, e apesar de seu tamanho reduzido, foi suficiente para controlar todos os dispositivos. Os servomotores foram selecionados de acordo com o custo benefício, e em determinada articulação foi necessário 2 unidades para sustenta-la. Paralelamente ao projeto, foi construída uma impressora 3d, que no decorrer do mesmo, foi de grande ajuda possibilitando a confecção de peças em ABS, 74

obtendo maior precisão. Vale ressaltar a utilização de máquinas e equipamentos para corte, lixamento, escareamento, furação, prensagem e demais trabalhos, instaladas na Fundação Gorceix, que foram de grande valia para a construção estrutural do braço robótico.

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REFERÊNCIAS GOEKING, W. O setor elétrico: Da máquina a vapor aos softwares de automação. 52. ed. [S.l.]: [s.n.], 2010. Disponivel em: . Acesso em: 10 março 2015. OTTOBONI, A. Servo-acionamentos. In: Automação. [S.l.]: [s.n.], 2002. p. 114. Acesso em: maio 2015. WENDLING, M. CI Reguladores de Tensão. Guaratinguetá - São Paulo: Universidade Estadual Paulista- campus de Guaratinguetá, 2009. Acesso em: maio 2015. NEWTON C. BRAGA. Instituto Newton C. Braga. Disponível em: . Acesso em: agosto 2015. Arduíno. Arduíno Genuino. Disponível em: . Acesso em: agosto 2015. Alunos Doroti. Servomotor. Disponível . Acesso em: agosto 2016

em:

Automação Industrial - Definição e história. Disponível em: < HYPERLINK "https://comatreleco.com.br/automacao-industrial-historia/" https://comatreleco.com.br/automacao-industrial-historia/ >. Acesso em: março 2015.

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APÊNDICE A: PROGRAMAÇÃO DO ARDUINO // "chamando" a biblioteca de servos #include // definindo 5 servos Servo servo1; Servo servo2; Servo servo3; Servo servo4; Servo servo5; // definindo 3 potenciômetros e suas respectivas portas analógicas int const pot1 = 0; int const pot2 = 1; int const pot3 = 2; // variáveis para armazenar os valores dos potenciômetros int valpot1; int valpot2; int valpot3; // variáveis que serão incrementadas ou decrementadas para movimento dos servos int i1; int i2; int i4; int i5; //variáveis que controlam o delay dos servos int dly; int dly1; // definindo botôes int const botao1 = 11; //garra/esquerda int const botao2 = 13; //auto/manu int const botao3 = 7; //direita

//definindo sensores int const sens1 = 2; //sensor 1 instalado no recipiente da esquerda int const sens2 = 4; //sensor 2 instalado no recipiente da esquerda int const sens3 = 12; //sensor 3 instalado no recipiente da esquerda int const sens4 = 8; //sensor 4 instalado no recipiente da direita int const sens5 = 0; //sensor 5 instalado no recipiente da direita int const sens6 = 1; //sensor 6 instalado no recipiente da direita //Variáveis que conterão o estado dos botôes (0 LOW, 1 HIGH) int estadoBotao1 = 0; //estado da garrra int estadoBotao2 = 0; //sistema manual ou automático int estadoBotao3 = 0; //movimenta objetos parar a esquerda //Variáveis que conterão o estado dos sensores (0 LOW, 1 HIGH) int estadosens1 = 1; //verifica se há um objeto presente int estadosens2 = 1; //verifica se há um objeto presente int estadosens3 = 1; //verifica se há um objeto presente int estadosens4 = 1; //verifica se há um objeto presente int estadosens5 = 1; //verifica se há um objeto presente int estadosens6 = 1; //verifica se há um objeto presente int var2=0; // valor guardado int estado=0; // guarda o valor 0 ou 1 (HIGH ou LOW) void setup() {

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// definindo portas pwm para os servos servo1.attach(3); servo2.attach(5); servo3.attach(6); servo4.attach(9); servo5.attach(10); //Definindo pinos digitais do Arduino como entrada. pinMode(botao1,INPUT); pinMode(botao2,INPUT); pinMode(botao3,INPUT); }

//executando os valores/posiçôes dos servos servo1.write(valpot1); servo2.write(valpot2); servo3.write(180 - valpot2); servo4.write(valpot3); //Lendo o estado do pino 11

// Define valores para o delay dos servos dly = 35; // velocidade que se movimentam dly1 = 70; // intervalo entre os servos

estadoBotao1=digitalRead(botao1); // ler o valor enviado pelo botão: "HIGH" ou "LOW" if ((estadoBotao1 == HIGH) && (var2 == LOW)) { estado = 1 - estado; delay(20); } var2=estadoBotao1; if (estado == 1) { servo5.write(60); //Botão ligado, abre a garra. } else { servo5.write(100); //Botão desligado, a garra fecha. }

// Se botão2 estiver em nível auto, o sistema opera em modo manual if (estadoBotao2 == HIGH) {

// Se botão2 estiver em nível baixo, o sistema opera em modo automático } else {

//lendo os valores dos potenciômetros (intervalo entre 0 e 1023) valpot1 = analogRead(pot1); valpot2 = analogRead(pot2); valpot3 = analogRead(pot3);

// seta o servo para determinada posição dada em graus (de 0 a 180) //posição inicial servo1.write(85 ); delay(500); servo2.write(50); servo3.write(180 - 50); delay(500); servo4.write(90); delay(500); servo5.write(60); delay(500);

void loop() { //Verifica se o sistema está operando em modo manual ou automatico estadoBotao2 = digitalRead(botao2);

//mapeando os potenciômetros e relacionando-os com os servos. valpot1 = map(valpot1, 0, 1023, 0, 180); valpot2 = map(valpot2, 0, 1023, 0, 180); valpot3 = map(valpot3, 0, 1023, 0, 180);

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//................................................................ ................................................. //habilita botão 1 como mover para esquerda estadoBotao1 = digitalRead(botao1); estadosens1 = digitalRead(sens1); estadosens2 = digitalRead(sens2); estadosens3 = digitalRead(sens3); if (estadoBotao1 == HIGH) { if (estadosens1 == LOW) { // Início da manipulação do tubete1 .................................................................. ...... // 1 move a garra para esquerda for (i1=85; i1>=39; i1--){ servo1.write(i1); delay(dly); } delay(dly1); // 2 projetando o tubete1 para cima for (i4=90; i4=90; i4--){ servo4.write(i4); delay(dly); } delay(dly1); // 19 Abre a garra for (i5=70; i5>=60; i5--){ servo5.write(i5); delay(dly); } delay(dly1); // Fim da manipulação do tubete1 .................................................................. ...... } else { if (estadosens2 == LOW) {

// 15 Abre a garra for (i5=102; i5>=70; i5--){ servo5.write(i5); delay(dly); } delay(dly1);

// Início da manipulação do tubete2 .................................................................. .. // 1 move a garra para esquerda 80

for (i1=85; i1>=52; i1--){ servo1.write(i1); delay(dly); } delay(dly1); // 2 projetando o tubete1 para cima for (i4=90; i4=50; i2--){ servo2.write(i2); servo3.write(180 - i2); delay(dly); } delay(dly1); // 16 move a garra para esquerda for (i1=129; i1>=85; i1--){ servo1.write(i1); delay(dly); } delay(dly1); // 17 Abre a garra for (i5=70; i5>=60; i5--){ servo5.write(i5); delay(dly); } delay(dly1); // Fim da manipulação do tubete2 .................................................................. ....... } else {

// Início da manipulação do tubete3 .................................................................. ....... // 1 move a garra para esquerda for (i1=85; i1>=46; i1--){ servo1.write(i1); delay(dly); } delay(dly1); // 2 projetando o tubete1 para cima for (i4=90; i4=85; i1--){ servo1.write(i1); 83

delay(dly); } delay(dly1); // 18 Abre a garra for (i5=80; i5>=60; i5--){ servo5.write(i5); delay(dly); } delay(dly1); // Fim da manipulação do tubete3 .................................................................. .... } } } } } //habilita botão 3 mover para direita estadoBotao3 = digitalRead(botao3); if (estadoBotao3 == HIGH) { estadosens4 = digitalRead(sens4); estadosens5 = digitalRead(sens5); estadosens6 = digitalRead(sens6); if (estadosens4 == LOW) { // Início da manipulação do tubete4 .................................................................. ....... // 1 move a garra para esquerda for (i1=85; i1=50; i2--){ servo2.write(i2); servo3.write(180 - i2);

// Início da manipulação do tubete5 .................................................................. ....... // 1 move a garra para esquerda for (i1=85; i1getArgFloat(0); //armazena em "value" o argumento do comando 164

OSC "/ard/led2" digitalWrite(led2Pin, value); //muda estado da porta digital 9 (led2Pin) conforme argumento OSC recebido }

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O USO DA AUTOMAÇÃO PARA O CONTROLE DE UMIDADE DE SOLO: UM ESTUDO PILOTO10

Diego Couto Fabio Caldeira Leonardo de Souza11 Coautoria Magna Campos “Não há fatos eternos, como não há verdades absolutas”. (Friedrich Nietzsche) RESUMO Este Trabalho tem por objetivo investigar por via da automação uma forma de controlar a umidade do solo restringindo à quantidade de recurso hídrico destinado a irrigação de hortaliças. O controle da umidade do solo está relacionado aos dados obtidos pelo sensor de umidade que ao ser introduzido no solo repassa ao micro controlador. Os dados são comparados ao set point para ser realizado por meio de um atuador o ajuste necessário. A aplicação do protótipo que se submeteu a intempéries e diferentes umidades de solo demonstraram que a utilização prática pode proporcionar ao processo de controle de fornecimento hídrico economia de mão de obra e de água favorecendo assim uma redução de custo na agricultura de base familiar.

Palavras-chave: Automação, Microcontrolador, Instrumentação, Sistema de controle e Programação.

INTRODUÇÃO

Capítulo adaptado a partir de TCC orientado pela Profª. Ms. Magna Campos, na Faculdade Adjetivo-CETEP, em 2016. 11 Tecnólogos em Automação Industrial 10 10

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A agricultura atividade que acompanha o ser humano desde os primórdios ganha cada vez mais importância devido à crescente demanda por alimento. Atualmente é notória a presença de tecnologias e processos automatizados no agronegócio. Contudo a agricultura familiar dispõe de pouca ou nenhuma tecnologia no processo de desenvolvimento, embora represente a agricultura de base. A água cada vez mais escassa e necessária ao desenvolvimento da agricultura suscita uma discussão social quanto à utilização racional. A automação além de controlar a aplicação de água, permite também o controle das operações de fertirrigação e que o acionamento de conjuntos moto-bomba seja realizado à distância. O objetivo que se pretende com a irrigação é satisfazer as necessidades hídricas das culturas, aplicando a água uniformemente e de forma eficiente, ou seja, que a maior quantidade de água aplicada seja armazenada na zona radicular à disposição da cultura. Os sistemas microcontrolados trouxeram uma inovação tecnológica que permite aplicação no controle de variáveis como em processo de distribuição hídrica. A aplicação de técnicas que não utilizam o microcontrolador possui eficiência limitada na gestão do processo, mas pode ser utilizada conjuntamente. -“Entende-se por automação qualquer sistema, apoiado em computadores, que substituía o trabalho humano em favor da segurança das pessoas, da qualidade dos produtos, da rapidez da produção ou da redução de custos, assim aperfeiçoado os complexos objetivos das indústrias e dos serviços”(MORAES; CASTRUCCI, 2012, p.6).

Desenvolver um protótipo voltado para atender o pequeno produtor de hortaliças, onde a necessidade de um controle eficiente de irrigação é fator determinante na produtividade, na qualidade, no controle do consumo de água, redução do serviço braçal e demonstrar um sistema de irrigação automatizado de baixo custo utilizando um microcontrolador é objetivo principal desse trabalho. Entre as opções de microcontrolador o ATmega 328 167

se mostrou o mais adequado à proposta do projeto de controle de umidade de solo devido ser open source e linguagem e programação de fácil entendimento. De forma geral o irrigador automático que tem como propósito original controlar o nível de umidade do solo e trazer como consequências imediatas redução do desperdício de recurso hídrico sem privar da umidade necessária o vegetal e a otimização da mão de obra com menor custo possível ao produtor atinge o resultado almejado. A abordagem dos assuntos está organizada em três capítulos onde o primeiro enfatiza uma revisão bibliográfica sobre a automação e controle com foco em automação industrial, microcontrolador, Arduíno e instrumentos de medição. O segundo capítulo busca ressaltar os sistemas de controles sobre os aspectos dos sistemas dinâmicos, respostas de sistemas de controles e métodos de controles. E o ultimo capitulo destina se a descrever o procedimento do projeto como a construção dos requisitos físicos, descrição dos materiais, diagrama, elaboração, análise do projeto e as considerações finais. 2. AUTOMAÇÃO E CONTROLE DE UMIDADE 2.1 Automação industrial O advento da Revolução Industrial no século XVIII foi o grande precursor da automação contemporânea, contudo o surgimento do relé seguido do controlador lógico programável introduziu um novo período de expansões tecnológicas. Embora representassem um grande avanço para época os relés eram limitados e inflexíveis dificultando a modificação necessária à produção fabril o que culminou no desenvolvimento do controlador lógico programável. 168

Essa primeira geração de controlador lógico programável recebeu uma importante melhoria com o surgimento dos microprocessadores permitindo muito mais autonomia na manipulação de dados, operações aritméticas entre outras possibilidades (SILVEIRA; SANTOS, 2009). A sociedade contemporânea busca cada vez mais conforto e comodidade na execução das tarefas simples às mais sofisticadas onde os avanços tecnológicos têm proporcionado, por exemplo, aos lares com a presença da automação residência. E na indústria o aumento da produtividade e a redução dos índices de acidente laboral que ocorreram devido à implantação de sistemas automatizados. “A automação é um conceito e um conjunto de técnicas por meio das quais se constroem ativos capazes de atuar com uma eficiência ótima pelo uso de informações recebidas do meio sobre o qual atuam” (SILVEIRA; SANTOS, 2009 p.23). A automação atual divide se em três grandes níveis de complexidade correspondendo de “menor” a especializada que utiliza os microprocessadores de pequenas memórias e fazem controles internos como, por exemplo, eletrodomésticos, automóveis e etc. O nível de complexidade que correspondente a “médio” é automação industrial e de serviços que utilizam os controladores lógicos programáveis e seus softwares aplicativos. E o de “maior” complexidade que compreendem aos grandes sistemas de automação que utilizam tecnologias de ultima geração e necessitam de confiabilidade extrema, por exemplo, controle de trafego aéreo, defesa militar entre outros (MORAES; CASTRUCCI, 2012). 2.2 Microcontroladores A automação alcançou avanços tecnológicos em processos que não necessitam armazenar grandes quantidades de dados, como na automação residencial, na automação industrial (GIMENEZ, 2002). Presente no cotidiano da sociedade atual o microcontrolador é o responsável pelos avanços da 169

automação de “menor” complexidade que compreende a domótica e aos inúmeros equipamentos utilizados pela indústria. A produção de microprocessadores em grande escala deu inicio a um novo período na história do desenvolvimento tecnológico com o surgimento nos anos70 dos microcontroladores. Um grande interesse pela nova tecnologia provocou a criação de varias linhas ou famílias de microcontroladores como, por exemplo, os microcontroladores PIC16F877A e o PIC16F628A. Microcontrolador é definido como um “dispositivo semicondutor em forma de CI, que integra todas as partes básicas de um microcomputadormicroprocessador (CPU), memóriasnão voláteis (ROM/PROM/EPROM/EEPROM), memórias voláteis (RA, SRAM, DRAM, Flash RAM), portas de entradas e saídas (porta de comunicação paralela porta de comunicação serial, conversores analógicos/ digitais, conversores digitais/analógico etc.)” (GIMENEZES, 2002, p4).

Apesar de existir uma variedade muito grande de microcontroladores sua arquitetura se divide basicamente em Von Newmann que tem como características principais o compartilhamento dos barramentos de dados e endereços entre a memória de programas e dados. E Harvard que apresenta o barramento de dados e endereços distintos, assim enquanto uma instrução é executada outra é buscada da memória do programa (BRANCO 2002). Não obstante a variedade de famílias o microcontrolador tem algumas características comuns: Registradores: Responsável por armazenar temporariamente a informação equivale à memória uma RAM interna. Pertencem a esse elemento, conforme Branco (2002): PROGRAM COUNTER: Mostra o endereço subsequente da próxima instrução a ser executada pela CPU. INSTRUCTION REGISTER: É o local onde fica registrada a instrução trazida da ROM para CPU. 170

DECOTE UNIT: É o local onde a instrução localizada no IR é traduzida. ULA: Unidade lógica aritmética onde se realiza as operações lógicas. ACCUMULATOR: Registrador principal CONTROL UNIT: Local onde se processam os controles de fluxo das informações fim de realizar a instrução recebida. 2.2.1 Arduíno O objetivo do Arduíno é ser uma plataforma de fácil interação para desenvolvedores iniciantes e seu hardware livre é fator preponderante que o tornou um dos microcontroladores mais difundido no meio acadêmico. O microcontrolador Arduíno existe em várias formas, de grande a pequeno esquemático disponível livremente, o Uno é um dos mais utilizados, mas o Arduíno Mega, por exemplo, possuem muito mais portas de entrada, possibilitando a criação de dispositivos maiores e mais complexos. O Nano é uma versão reduzida de um Arduíno comum para a criação de objetos eletrônicos menores (VASILJEVIC, 2013). O hardware é composto de um processador Atmel AVR, um cristal oscilador e um regulador linear de 5 volts. Há uma diversidade de placas, mas com características que as diferem das demais, como velocidade (clock), memórias, pinos de entrada e saída, entre outras. O Arduíno possui dois tipos de portas: digitais subdivididas entre binárias comuns e PMW e analógicas que são utilizadas com valores binários de tensão variando entre 0V e 5V onde os componentes conectados a essas portas poderão enviar e receber dados na forma destas duas tensões. As portas digitais PWM (Pulse WidthModulation - Modulação por Largura de Pulso) essas portas controlam a potência de um sinal, fazendo-o oscilar entre 0V e 5V, em uma determinada frequência. E as portas analógicas que podem 171

interpretar valores, com precisão, entre 0V e 5V.Contudo, elas podem somente ler, e não enviar (VASILJEVIC, 2013). Para ampliar e adequar às diversidades dos projetos o Arduíno pode ser incrementado com os shields existente em grande variedade como: Ethernet Shields: Este shield conectar a internet através de um cabo ethernet. Possui um suporte para um cartão micro-SD onde armazenar informações e arquivos para ou da internet. Compõem-no: 

Gameduino: Utilizado no desenvolvimento de jogos 16-bits, com inúmeros modelos inclusos. Possui saída VGA, fone de ouvido e caixa de som.



LCD Shield: Acrescenta tela LCD integrada, com uma resolução e capacidade superiores aos displays comuns. Existem também outras versões com teclados embutidos.



Joystick Shield: Controle que contém quatro botões de pressão e um analógico e possui funções facilitadas para a utilização dos botões.



EvilMad Science Googly Eyes Shield: Este shield acrescenta ao projeto uma importante funcionalidade: os olhos (VASILJEVIC, 2013).

A linguagem de programação utilizada pela plataforma Arduíno é basicamente C e C++. Praticamente utilizados para configurar o comportamento dos circuitos, o que permite configurar o Arduíno para algumas funções usando sensores e atuadores diversos. A execução de qualquer programa no Arduíno começa na função setup (), em que são definidos quais pinos serão de entrada ou de saída. Para isso utiliza se a função pinMode e finalizado o programa passa a executar a função loop() (VASILJEVIC, 2013). Para controlar alguns componentes do Arduíno através do computador utiliza se as portas de comunicação serial. O IDE do Arduíno foi projetado em Java e possui recursos simples de realce com palavras-chave para ser uma 172

interface amigável a programadores iniciantes com desenvolvimento de software, portanto bastante intuitiva. As principais funções e componentes são:  Serial. Begin (velocidade): Esta função inicia a interface serial, utilizando como referência a velocidade como taxa de transferência. Como padrão, utiliza-se 9600 como taxa.  Serial. Print ("Mensagem"): Exibe uma mensagem no monitor serial e informa a leitura que um sensor esta recebendo do ambiente.  Serial. available(): Retorna o número de bytes lidos pela porta serial. No caso de não haver nenhum valor, retorna zero.  Serial. read() : Esta função lê os dados que digitado pelo teclado e os envia ao Arduíno (VASILJEVIC,2013). 2.2 Instrumentos de Medição Em todo processo é necessário controlar e manter constante algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade entre outros. Os instrumentos de medição e controle permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando o controle de eventos, a melhoria como em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. Existem sensores onde a amplitude do sinal elétrico de saída reproduz a amplitude do sinal de entrada são de medição ou transdutores fundamentais no campo de controle dinâmico dos processos. Sua saída pode ser analógica ou digital do tipo binário on/off (MORAES; CASTRUCCI, 2012). A utilização do computador como agente transformador social é irreversível sua presença nos lares, indústrias, comércios busca diminuir 173

distância tecnológica entre os continentes. Os computadores são conectados a sensores permitindo fazer uma interação que dificilmente seriam realizados sem os instrumentos. Na agricultura basicamente três variáveis de processos necessitam ser controladas constantemente, são elas: o nível, a umidade, e a vazão. 2.3 Medição de Nível A utilização de medidas de nível é necessária em processos podendo ser exemplificados a medição de nível de grãos em silos, em reservatórios de combustível, em reservatório de água, nível de lagos e oceanos entre outros. Entre as técnicas existentes estão as que empregam flutuadores, medição de pressão por ultrassom, por pressão diferencial etc. Os processadores eletrônicos estão presentes com a integração de medidas de nível a outras tarefas do processo como transmissão, controle, filtros, além da possibilidade de procedimentos remotos como calibração e interação com outras partes do processo. Balbinot e Brusamarello (2011) descrevem os principais métodos de medição de nível: 

Medição

de

nível

por

métodos

direto:

utilizam

técnicas que medem diretamente a altura da superfície em relação ao fundo do recipiente. 

Indicadores e visores: medição feita pela inserção de uma régua no interior do reservatório de modo que o zero da régua coincida com o fundo do reservatório.



Medidores de nível com boia e flutuantes: são utilizados elementos com massa especifica menor que o fluido a ser medido de modo que 174

de acordo com a variação do nível, a posição do flutuador em relação ao fundo varia tal dispositivo pode ser mecânico ou eletrônico onde a variação de nível movimenta boia que contém um ímã direcionando ao detector magnético que converte o movimento mecânico em um acionamento elétrico. 

Indicadores de nível magnético: um processo similar aos flutuadores, mas existe uma comunicação entre o flutuador e o indicador totalmente magnético.



Medição

de

nível

por

métodos indiretos: a medida

de nível por método indireto é realizada por meio das grandezas relacionadas com o nível tais como força de empuxo, tempo de programação, pressão e capacitância entre o peso e a força de empuxo medida denominada método do deslocador. 

Medidor de

nível

do

tipo hidrostático: medindo se a

pressão no fundo do reservatório também é possível determinar o nível de um líquido, visto que a medição da pressão hidrostática esta relacionada com a altura da coluna. 

Medidorde

nível

por

pesagem: consiste na aplicação

direta de uma célula de carga incorporada ao reservatório. À medida que o reservatório vai enchendo com determinado material a força e o peso que atuam na célula vai aumentando. 

Medidorde

nível

capacitivo:

o método capacitivo pode

ser empregado para medição do nível de materiais condutores ou isolantes. 175



Medidor de nível por condutividade: a medição de nível é realizada indiretamente ao se medir a condutância elétrica do material o qual geralmente é um liquida capaz de conduzir corrente com uma fonte de tensão relativamente baixa. Esse é um método simples para detecção e controle de nível de reservatório.



Medido de nível por ultrassom: os sinais ultrassônicos utilizam frequências entre 20 e 200khz. Alguns instrumentos considerados sônico utilizam frequências inferiores a 10khz. O principio de funcionamento desse método é medir o tempo de eco de um sinal enviado por um transdutor piezelétrico.



Medição de nível por vibração: a medição é feito por meio de detectores que funcionam como chave. Esses detectores são construídos em forma de garfo com dentes simétrico preso por uma membrana que faz parte da montagem do sistema. O sistema é forçado a vibra em sua frequência de ressonância quando estimulado por um cristal piezelétrico.



Medição de nível por radar: a frequência tão elevadas quanto essa permite a utilização de antenas de dimensão reduzidas, além de feixe estreito. Essas características simplificam a instalação do instrumento. Uma vez que a faixa de frequência utilizada esta bem abaixo dos raios-x e do raio gama, pode se concluir que a radiação eletromagnética emitida por esses equipamentos é provavelmente tão segura quanto à de aparelhos celulares.



Medidor de nível por radiação: esse tipo de medidor opera de acordo 176

com o principio da radiometria. Quando passa por determinado meio a radiação tipo gama é atenuada. Essa atenuação depende apenas da fonte do caminho de absorção e da massa especifica do meio. Uma vez que a fonte e a distância percorrida pelo feixe são constantes a medida é afetada apenas pela massa especifica do meio. 

Sensores

de

nível:

um

sensor desse tipo pode

medir o nível do produto e o nível de interfaces, ou seja, entre produtos. A medição de nível consiste na medida da distância entre a boia com ímã e um ponto de referência como um cabeçote do instrumento. 

Transmissor de nível a laser: os medidores de nível a laser operam segundo um principio semelhante ao dos medidores de nível por ultrassom. Esse método é bastante preciso e pode ser aplicado na medição de nível de sólidos e substância com massa especifica elevado, cimento, líquido opaco, produtos alimentícios entre outros.

2.3.1 Medição de umidade A umidade é a quantidade ou concentração de vapor de água no ar ou em gás. Existem diversos parâmetros para se expressar a concentração de umidade Balbinot e Brusamarello (2011) descreve os principais métodos de medição de umidade:  Umidade Absoluta: Expressa a quantidade de vapor de água como a razão entre a massa de vapor de água em 177

relação ao volume de ar. 

Umidade

especifica:

Expressa

a quantidade de

vapor no ar utilizando a razão entre massa de vapor de água e a massa de ar seco por quilograma de ar. 

Umidade

Relativa:

Expressa

em

termos

percentuais a razão entre a pressão de vapor de água em qualquer gás em relação à pressão do vapor em equilíbrio ou á pressão de vapor de saturação. 

Sensores

de

Umidade

Relativa Capacitivo: São

baseados em polímeros detectam diretamente alterações na saturação relativa como uma alteração na capacitância do sensor. 

Sensor de

Umidade

Resistivo: Determina a alteração na

impedância que usualmente apresenta uma relação exponencial com a umidade. Normalmente esses sensores são construídos com eletrodos metálicos depositados sem um substrato polimérico condutivo. 

Sensor de

Umidade

por Condutividade Térmica: Medem

a umidade absoluta pela diferença entre a condutividade térmica do ar seco e do ar contendo vapor de água. Normalmente esses sensores são construídos com dois termistores. 

Higrômetro:

Equipamentos que

mede

a

alteração

na

capacitância ou na condutividade de um material. 

Psicrômetro:

Equipamento

que possui dois sensores de

temperatura um exposto a atmosfera e outro enclausurado em um 178

ambiente conhecido. A diferença de temperatura entre os dois sensores esta relacionada ao nível de umidade. 

MedidorDew

Point

(ponto de orvalho): A umidade relativa e a

temperatura do ponto do orvalho são dois indicadores universais da quantidade de umidade no ar. 

A conversão exata o um esmo aproximada com uma boa precisão é uma tarefa complexa de ser executa da sem auxilio de um computador ou dispositivo microcontrolados.

2.3.2 Medição de Fluxo

Procedimentos ou métodos para caracterização, qualificação ou visualização de fluxo são essenciais em processos que envolvam transporte de energia e massa, permitindo o seu controle ou monitoramento, destacando se as aplicações em que estão envolvidas entre outros processos industriais a distribuição de água, gasolina ou diesel, a extração de óleo cru e a otimização do desempenho de diverso subsistema de combustão e injeção de combustível por módulo eletrônico. Balbinot e Brusamarello (2011) descrevem os principais métodos de medição: 

Medidores de Fluxo Baseado na Pressão Diferencial: É baseado na obstrução da passagem de um determinado fluido. 179



Medidores de Pressão Diferencial Placa de Orifício: Uma placa de orifício inserida na tubulação é uma restrição ou obstáculo com uma pequena abertura comparada ao diâmetro da tubulação.



Medidores de Pressão diferencial Tubo de Venturi: É similar à placa de orifício, mas apresenta um obstáculo ou restrição mais suave. A alteração na área da secção, no tubo de converge e a “garganta”.



Medidorde

Pressão

Diferencial

Tubo

de

Pilot:

O

instrumento que executa esse tipo de medida tem seu principio de funcionamento baseado nos seguintes conceitos básicos: 

Pressão estática: É a pressão real ou a pressão de corrente termodinâmica que atua no fluido.



Pressão Total ou estagnação: a sua medição é realizada por meio de uma tomada de pressão voltada contra o escoramento e alinhada com ao movimento do fluido de forma a receber o impacto do mesmo.



Medidores

de

Fluxo por

Área Variável: Opera em

queda de pressão relativamente constante e mede o fluxo dos líquidos, gases e vapores. 

Medidores

de

Fluxo por

Eletromagnetismos:

Esses

aparelhos constituem uma família de medidores não invasiva e utilizada para medir a velocidade media em função da área da secção em diversos líquidos condutivo. 

Medidores de Fluxo Ultrassônicos: A velocidade de propagação do 180

som em um fluido depende da massa especifica do meio. Os transdutores normalmente utilizados nesse tipo de medidores de fluxos são os piezelétricos, pois convertem energia elétrica em energia mecânica. 

Medidores

de

Fluxo por

Efeito Corolis: O principio

desses medidores de fluxo é gerar artificialmente a aceleração de corolis e medir a massa pela detecção do momento angular. Quando um fluido escoa em uma tubulação, fica sujeito à aceleração de corolis por meio da introdução mecânica de rotação da tubulação. 

Medidores de Fluxo por Força de Arrasto: Nesse tipo de medidor um objeto solido denominado elemento de arrasto é expor ao fluxo de um fluido que deve ser medido. A força exercida pelo fluido no elemento de arrasto é medida e convertida para um valor que representa a velocidade do liquido.



Medidores

Mecânicos:

Os

medidores

mecânicos

são

utilizados para aplicação de alta pressão como que utilizam partes móveis na medição de água residencial.

3. SISTEMA DE CONTROLE 3.1 Definições O controle automático ocupa na sociedade contemporânea um espaço proeminente e sua eficiência depende do controle de grandezas físicas como nível, pressão, vazão e etc. Em automação a finalidade está em controlar os 181

eventos e variáveis para que se alcance o set point diminuindo ou eliminando os distúrbios do sistema. Entre os principais objetivos do controle encontram- se mitigar o risco do sistema com perdas de equipamentos, humanas e matéria prima. Para alcançar eficiência é utilizado técnicas como feedback, controle por feedforward ou por antecipação, controle em cascata, controle por razão, controle seletivo e controle por faixa dividida (BEGA, 2011). O sistema definido como estático é aquele em que as propriedades descritivas não variam com o tempo, mas podendo variar espacialmente. No sistema dinâmico as propriedades variam no tempo, podendo também variar espacialmente. O projeto é o processo pelo qual o desempenho de um sistema é criado ou alterado. Por exemplo, se a resposta transiente e o erro em regime estacionário de um sistema forem analisados e indicarem que as especificações não atendidas, então se alteram alguns parâmetros ou adiciona-se componentes para que as especificações desejadas sejam atingidas. (NISE, 2009, p 09).

Os sistemas de controle proporcionam redução do tempo de ação e a precisão é impossível de se obter com o controle manual sendo referencias para o controle a resposta transitória e o erro no regime estacionário.

3.2 Sistema Dinâmico Sistemas dinâmicos são classificados como acionado por eventos „event- driven‟ descritos por álgebra de boole, álgebra dióide, autômatos infinitos, rede petri e programas computacionais sendo eventos discretos. E acionados pelo tempo “time- driven” descritos por equações diferenciais na variável tempo sendo contínuo no tempo e equações de diferenças na variável tempo sendo discreto no tempo (MORAES; CASTRUCCI, 2012).

182

“O controle dinâmico tem por objetivo estabelecer o comportamento estático e sistemas físicos, tornando-o mais obedientes aos operadores e mais imunes às perturbações dentro de certos limites.” (MORAES; CASTRUCCI, 2012p07). A aplicação do sistema de controle depende da arquitetura que é dividida em duas grandes configurações de acordo com o processo. Sendo sistema de malha aberta e sistema de malha fechada. O sistema de malha aberta caracteriza- se por não corrigir os distúrbios do processo, portanto não utiliza controle de realimentação. E o sistema de malha fechada ocorre quando se utiliza o controle de realimentação para equilibrar e corrigir o distúrbio do processo dentro do set point (BEGA, 2011). 3.2.1 Sistema de Controle em Malha Aberta O controle em malha aberta consiste em aplicar um sinal de controle pré- determinado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a variável controlada atinja um determinado valor ou apresente um determinado comportamento (NISSE, 2009). O diagrama básico de um sistema de controle em malha aberta é mostrado na figura

Figura 1: Sistema de controle de malha aberta. Fonte: Autores da pesquisa 183

3.2.2 Sistema de Controle em Malha Fechada No controle em malha fechada, informações sobre como a saída de controle está evoluindo são utilizadas para determinar o sinal de controle que deve ser aplicado ao processo em um instante específico. Isto é feito a partir de uma realimentação da saída para a entrada (NISE, 2009). Em geral, a fim de tornar o sistema mais preciso e de fazer com que ele reaja a perturbações externas, o sinal de saída é comparado com um sinal de referência e o desvio este é utilizado para determinar o sinal de controle que é aplicado ao processo. O diagrama básico de um sistema de controle em malha fechada é mostrado na figura:

Figura 02: Nome. Sistema de Controle em Malha Fechada Fonte: http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAABFqQAJ-2.jpg Acesso em: 15/07/2016

3.3 Resposta de Sistema de Controle A resposta de um controle com a relação à dinâmica de medição existe uns mais rápidos que outros dependendo principalmente do sensor que é responsável por enviar o sinal ao controlador que decide após comparar 184

valores se o set point esta sendo observado e se necessário realiza os ajustes. Os principais problemas em um controle de processo são descrito por Bega (2011) como:  Atrasos relativos ao próprio processo: Normalmente, não consegue absorver ou desenvolver energia de modo instantâneo, o que provoca um atraso na resposta do sistema a uma dada alteração na entrada.  Atraso na medição: Em determinados sistemas ocorrem atrasos não só quando à detecção do valor da variável do processo, como também devido ao armazenamento de energia pelo próprio sistema.  Atraso na transmissão: Os atrasos na transmissão dos valores das variáveis medidas, próprios dos sistemas de transmissão pneumáticos.

3.4 Métodos de Controle A busca por um sistema de controle eficiente e que possibilite ao projeto alcançar os resultados almejados é necessário interpretar todos os processos e variáveis envolvidas, “cada estratégia de controle exerce uma influência na estabilidade do sistema, e o que se faz normalmente, em teoria de controle, é pesquisar os valores dos parâmetros dos controladores e seus respectivos efeitos” (BEGA, 2011 p531). 185

A estabilidade varia de acordo com o sistema da planta, ou seja, se opera em malha aberta ou fechada e o objetivo do sistema de controle é ajustar os parâmetros no set point. Segundo Bega (2011) os parâmetros de ajuste do controlador como ganho, banda proporcional, tempo integral e o tempo derivativo devem ser observados dentro da estratégia se controle. Para o alcance do set point desejado existe algumas técnicas de controle automático do processo que visam corrigir os distúrbio e garantir a confiabilidade viabilizando o funcionamento da planta. 3.4.1 Controle liga/Desliga É utilizada quando o processo permite uma oscilação contínua da variável controlada em torno do setpoint. A saída do controlador muda de ligada para desligada à medida que o sinal do erro passa pelo ponto de ajuste (setpoint) e o elemento final é normalmente uma válvula solenoide (BEGA, 2011) como mostra a figura:

Figura 03. Diagrama de controle liga/Desliga Fonte: http://s3.amazonaws.com/magoo/ABAAAfcYAAK1.jpg. Acesso em: 17/07/2016

186

3.4.2 Controle Proporcional A componente proporcional depende apenas da diferença entre o ponto de ajuste e a variável de processo. Esta diferença é referida como o termo de erro. O ganho proporcional (Kp) determina a taxa de resposta de saída para o sinal de erro. O controle proporcional fornece uma relação linear fixa entre o valor da variável controlada e o valor do atuador de controle, portanto indicado para processos que requerem um controle mais suave. O modo proporcional não apresenta nenhum componente dinâmico, consequentemente a atuação só depende do erro, independente de sua velocidade ou do tempo de duração deste erro (BEGA, 2011). O sistema controlado por meio proporcional responde de forma mais rápido à medida que o ganho proporcional (Kp) cresce e o erro diminui o que sugere aumentar o ganho no maior valor possível (BEGA, 2011) como mostrado na figura

Figura 04. Controle proporcional. Fonte: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Proporcional.PNGacesso 09/04/2016

3.4.3 Controle Proporcional Integral (PI) 187

A ação proporcional isolada não é suficiente para que a variável do processo retorne o valor desejado, após uma determinada variação de carga provoca uma grande oscilação no tempo de estabilização da variável. E o aumento do tempo derivativo melhora a estabilidade do processo com baixa velocidade de resposta aumentando a oscilação (BEGA, 2011). “A análise da chamada ação derivativa normalmente através de uma variação do tipo “rampa” da variável do processo, uma vez que a resposta do controlador neste caso é proporcional ao erro” (BEGA,2011).“A ação integral é normalmente utilizada em conjunto com a ação proporcional, pois a velocidade de resposta de ação integral de forma isolada é pequena, sendo longo o tempo de estabilização da variável” (BEGA, 2011) como mostrado na figura

Figura 05. Controle proporcional integral (PI). Fonte: http://images.slideplayer.com.br/1/291080/slides/slide_3.jpg acesso 09/04/2016

3.4.4 Controle Proporcional Derivativo A saída de um processo apresenta uma "inércia" com relação às modificações na variável de entrada. Esta "inércia” é devido à dinâmica do 188

processo que faz com que uma mudança na variável de controle cause mudanças consideráveis na saída da planta somente após certo tempo. Em geral, a ação derivativa aumenta a estabilidade da malha de controle. Quando se tem processos rápidos, tais com controle de vazão, não se recomenda a utilização de ação derivativa, a não ser que acompanhada da proporcional e da integral, resultando no controle PID. (BEGA, 2011 p530)

O ajuste derivativo aplica uma correção proporcional ao sistema uma correção à velocidade com que o desvio aumenta. Após a correção inicial, o controlador começa a diminuir os seus efeitos deixando que as resposta proporcional (com ou sem ação integral em conjunto) posicione o elemento de controle final. A ação derivativa associativa com a ação proporcional (PD). Resulta em uma correção antecipada a um desvio que ainda não aconteceu chamada

também de supercorreção como mostrado na figura Figura 06. Controle Proporcional Derivativo Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/fig_8_PID_1_.jpg acesso 09/04/2016

189

3.4.5 Controle Proporcional Integral e Derivativo Conforme ensina Bega (2011, p. 527), “O controlador proporcional mais o integral, mais derivativo, combina as características de eliminação do erro oferecidas pelo controle proporcional mais integral”. Estas particularidades são, então, reunidas num único controlador como mostra figura:

Figura 07. Controle Proporcional Integral e Derivativo Fonte: http://www.joinville.udesc.br/portal/professores/marianasantos/materiais/A__es_B_sicas_de_Controle.p df Acesso em 17/07/2016

Processos onde o tempo transcorrido após a ocorrência de um distúrbio até que seja observada uma mudança na saída (tempo morto) e tem o valor alto são de difícil controle por meio do controle proporcional integral ou por controle proporcional derivativo sendo recomendável o controle P+D+I. 3.4.6 Controle em cascata

190

A malha em cascata tem dois controladores normais e uma única válvula de controle, formando duas malhas fechadas e utiliza medidas de variáveis interna ou auxiliares para detectar rapidamente o efeito das perturbações e iniciar antes da ação corretora como mostra a figura:

Figura 08 controle de malha e cascata Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/figura6_14_.jpg Acesso 09/04/2016

Esta estratégia de controle é utilizada em situações em que uma única malha de controle de realimentação negativa não tem a precisão e a qualidade necessária em determinadas situações, em função da importância do processo que está sendo controlada. (BEGA, 2011 p 538).

O controle por meio de cascata destina se a sistema que pretende e necessita de uma confiabilidade extrema, pois possui um custo maior devido à redundância do controle onde duas malha fechada são “aninhadas” para verificar o controle do sistema e garantir maior segurança na operação.

191

3.4.7 Controle de Razão Um método que visa uma antecipação no controle do sistema onde existe pelo menos uma variável manipulada. Em muitos sistemas a quantidade de variáveis de controle supera a quantidade a variáveis manipuladas. -“Alguns processos industriais necessitam manter duas ou mais vazões numa determinada proporção, como exemplo, mistura de aditivo à gasolina, mistura proporcional de reagente num reator químico, mistura de fluido a diferentes temperaturas para obtenção de uma dada temperatura de mistura e outros”(BEGA, 2011 p541).

Observe a figura:

Figura 09. Controle de Razão. Fonte: Autores da pesquisa

O set point esperado para o sistema é ajustado pelo controlador que recebe a razão calculada entre as variáveis informada pelos dois transmissores de vazão. 3.4.8 Controle em Faixa Dividida

192

Quando uma válvula de controle sozinha não é capaz de controlar o valor da variável necessária para o processo à técnica de “Split-Range” ou “Range dividido”, é aplicado onde, através de duas ou mais válvulas de controle o set point é ajustado. Esse tipo de controle envolve normalmente duas válvulas de controle operado pelo mesmo controlador (BEGA, 2011) como mostra a figura:

Figura 10. Controle de faixa divida. Fonte: http://www.mecatronicaatual.com.br/files/image/Malhas_12.jpgAcesso 09/04/2016

O objetivo do processo é controlar a pressão no interior do tanque onde dois elementos finais do controle a válvula FCV-1A e a FCV-1B é o responsável pela exaustão de gás. A lógica de controle consiste em ajustar o percentual de abertura das duas válvulas de forma que a pressão fique constante dentro do reservatório: abre-se a FCV-1A e fecha-se a FCV1-B para aumentar o valor da pressão e fecha-se FCV- 1A e abre-se a FCV-1B para diminuir. 4. PROCEDIMENTOS DO PROJETO PILOTO

193

Para o desenvolvimento do presente projeto foram observados alguns parâmetros com o objetivo de alcançar o controle da umidade do solo tornando- o propicio ao cultivo. Como existe uma individualidade na quantidade de umidade necessária para cada tipo de cultivo e o controle automático destina se a controlar as variáveis de processo como umidade, nível e etc. não será objeto de estudo um cultivo especifico. Portanto para aplicação em um cultivo especifico demandaria pesquisa detalhada em agronomia para adequação das variáveis do sistema de controle e esse protótipo se restringirá na demonstração do controle das variáveis pelo microcontrolador atmega 328 e seu potencial de aplicação no controle da irrigação. O experimento foi realizado em um ambiente domestico utilizando um protótipo desenvolvido para demonstração acadêmica com o propósito de comprova a eficácia e eficiência em controlar a umidade do solo utilizando técnicas de automação como microcontrolador, linguagem de programação e sensor aplicado com objetivo de atender o pequeno produtor rural na tarefa de fornecer a umidade necessária ao desenvolvimento da plantação. Inicialmente foi testada uma programação em c++ destinado ao Arduíno utilizando lâmpadas de leds como referencia para o funcionamento da programação. Após os incrementos necessários ao sistema foram acrescentados o sensor de umidade e uma bomba reservatório de água limpador de para brisa universal que passou a compor o protótipo. Para permitir a utilização do protótipo em um sistema especifico circuitos eletroeletrônicos foram inseridos e os primeiros testes realizados usando o solo úmido, seco e encharcado. Como referencia de testes foi adotado três set point diferente para acionamento da bomba: 25%, 50% e 100% em situação de solo úmido, seco e encharcado. 194

4.1 Construção dos requisitos em sistema físico 4.1.1 Descrição e Aplicação dos Materiais Para concepção do projeto piloto foram escolhidos os componentes eletroeletrônicos apropriados para atender as necessidades acadêmicas. Segue abaixo a lista de componentes com a respectiva legenda discriminando e identificando os materiais utilizados na montagem do projeto. O projeto basicamente está dividido em três partes:   

Sistema eletroeletrônico composto por capacitor 16mhz, resistor, capacitor cerâmico, transistor, higrômetro, led e headers empilháveis. Sistema elétrico composto por fonte de alimentação, interruptor, borne KRE, relé, tomada e bomba reservatório. Sistema de lógica que é o responsável pelo gerenciamento do processo sendo o atmega 328 o componente que realiza a atividade de estabelecida pela programação.

Para a interface do projeto com usuário foi utilizado os seguintes componentes: display, potenciômetro, engate rápido e interruptores. A base de montagens do sistema físico foi na placa de fenolite fixada em uma caixa hermética.

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Figura 11. Componentes Fonte: Autores da pesquisa 196

4.2 Diagrama do aparelho

Figura 12: diagrama eletroeletrônico do aparelho. Fonte: Autores da pesquisa Figura 12. Componentes Fonte: Autores da pesquisa

197

4,3

Desenvolvimento do código

Foi utilizado o software de desenvolvimento do Arduíno, o código em linguagem C++ será apresentado no Anexo deste documento.

Figura 13. Ambiente de desenvolvimento Arduíno (Versão Utilizada 1.6.7). Fonte: Autores da pesquisa

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4.4 O dispositivo a) fase de criação:

Figura 14. Teste do funcionamento do Visor Fonte: Autores da pesquisa

Figura 15. Pré-teste de leitura de umidade para ajuste do Visor Fonte: Autores da pesquisa

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Figura 16. Montagem conforme diagrama Fonte: Autores da pesquisa

Figura 17. Montagem conforme diagrama Fonte: Autores da pesquisa

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Figura 18. Montagem conforme esboço Fonte: Autores da pesquisa

Figura 19. Montagem conforme esboço Fonte: Autores da pesquisa

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Figura 20. Montagem conforme esboço Fonte: Autores da pesquisa

b) Dispositivo montado:

Figura 21. Vista frontal do protótipo Fonte: Autores da pesquisa

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Figura 22. Vista interna do protótipo Fonte: Autores da pesquisa

4.5 Análise do Projeto O projeto desenvolvido busca garantir de formar satisfatório o fornecimento de recurso hídrico para melhor aproveitamento produtivo do cultivo e mitigação do desperdício da água. Para realização do experimento foi utilizado solo seco, úmido e encharcado sendo importante ressaltar que a abrangência da funcionalidade restringe- se a nível acadêmico, pois na prática o processo deve ser estudado individualmente para dimensionamento do sistema de acordo com a especificidade de cada projeto. Para fim didático a analise será dividida em sistema operando manualmente e sistema operando automaticamente em malha fechada.

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O sistema operando automaticamente em malha fechada ocorrerá quando ele reage a perturbações externas sendo utilizado o sensor de umidade e o ajuste determinado pelo potenciômetro é comparado ao desvio. Sempre que a porcentagem da umidade for diferente do set point a bomba ligará ou desligará de acordo com a necessidade. O sistema operando manualmente ocorrerá quando o botão liga for acionado e a bomba passará a funcionar ininterruptamente até que o botão seja desligado manualmente passando para o modo automático. Sob a ótica da viabilidade técnica o projeto apresenta dois pontos importantes a ser ressaltados: A facilidade de se encontrar no mercado o Arduíno um microcontrolador muito difundido e de linguagem relativamente simples. E o custo-benefício do microcontrolador que depois de gravado a linguagem de programação em caso de necessidade pode ser apagado e reescrito adaptando-se à nova realidade.

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4.6 Testes com solo em 0% de umidade Para realização do experimento, foi utilizado solo seco sendo importante ressaltar que a abrangência da funcionalidade restringe-se ao nível acadêmico. Para finalidade do teste, o set point utilizado foi de aproximadamente 50%, sendo a umidade lida pelo sensor em 0%. Quando foi setado em 50% de umidade, o microcontrolador interpreta o sinal enviado pelo sensor que informa a umidade em 0% e aciona a bomba, iniciando-se a irrigação até que o sensor informe umidade no valor setado.

Figura 23. Teste em solo seco Fonte: Autores da pesquisa

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4.7 Testes com solo em 53% de umidade Para realização do experimento, foi utilizado solo úmido sendo importante ressaltar que a abrangência da funcionalidade restringe-se ao nível acadêmico. Para finalidade do teste o set point utilizado foi de 50%, sendo a umidade lida pelo sensor em 53%. O microcontrolador interpreta o sinal enviado pelo sensor que informa a umidade em 53% e não aciona a bomba, enquanto o sensor não informar que valor está abaixo do setado.

Figura 24. Teste em solo úmido Fonte: Autores da pesquisa

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4.8 Testes com solo em 77% de umidade Para realização do experimento, foi utilizado solo encharcado. Para finalidade do teste, o set point utilizado foi de 50% sendo a umidade lida pelo sensor em 77%. O microcontrolador interpreta o sinal enviado pelo sensor que informa a umidade em 77% e não aciona a bomba enquanto o sensor não informar que valor está abaixo do setado.

Figura 25. Teste em solo encharcado Fonte: Autores da pesquisa

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4.9 Testes utilizando atuador externo Uma das características do irrigador é possibilidade de se utilizar um atuador externo e para efeito acadêmico foi utilizado uma válvula solenoide. Os testes demonstraram que o sistema após a leitura do sensor ser enviada ao microcontrolador o mesmo realiza a interpretação dos dados e faz a abertura ou fechamento da válvula de acordo com o set point ajustado em relação com a leitura do sensor de umidade.

Figura 26. Teste usando atuador externo Fonte: Autores da pesquisa

Para realização do teste foi montado um sistema composto por 1irrigador, 2-sensor de umidade, 3-válvula solenoide e 4-aspersor. A finalidade desse teste é analisar o comportamento do microcontrolador na execução da programação inserida. O sistema ficou instalado por cinco semanas e o seu comportamento dentro do esperado. 208

Figura 27. Teste prático aplicando o irrigador em horta (50m² de plantio) Fonte: Autores da pesquisa

CONSIDERAÇÕES FINAIS: O propósito do trabalho é desenvolver um sistema que controle a umidade do solo fornecendo ao vegetal uma quantidade pré - determinado de recurso hídrico em função das peculiaridades e podendo ser o set point ajustado facilmente. Foram realizados dois testes: o primeiro em um ambiente fechado onde o solo utilizado foi colocado em três recipientes distinto sendo umedecidos dois recipientes com quantidade de água diferente e um seco. Com um set point determinado para os três casos o que se observou foi que quando se inseria o sensor de umidade no solo o atuador no caso uma válvula solenoide acionou no momento em que a umidade estava abaixo do set point ajustado e desligou no instante em que foi atendida a necessidade hídrica. 209

Esse teste busca verificar se a leitura obtida pelo sensor de umidade, a interpretação do microcontrolador e a atuação da válvula solenoide estão sincronizado e funcionado dentro da programação inserida. Observando a reposta dada pelo sistema podemos concluir que dentro da especificidade do protótipo que se destina a demonstração acadêmica e considerando que todos os componentes destinados para essa finalidade o protótipo atendeu as expectativa de funcionalidade. Depois de realizados os testes de funcionamento físico do sensor de umidade, do atuador foram testados a lógica de funcionamento e observado o comportamento do microcontrolador submetendo – o a intempéries. O protótipo foi instalado em uma horta dimensionado em 50m² que utiliza o sistema de irrigação por aspersor. É importante ressaltar que para implementação pratico do protótipo necessita- se de dimensionar os componentes de acordo com os fins destinados. O objetivo que se almeja com esse teste é verificar o comportamento do microcontrolador quando submetido às mudanças bruscas de temperatura e umidade do solo. Os testes demonstraram uma resposta satisfatória do microcontrolador que realizou a interpretação dos dados recebidos do sensor de umidade fixado em um ponto próximo a raiz do vegetal. O atuador recebendo sinal elétrico enviado pelo controlador abre ou fecha a válvula solenoide. Diante do proposto por esse trabalho de desenvolver um projeto piloto capaz de garantir o fornecimento hídrico controlado pela ação de um micro controlador o protótipo atingiu sua atividade finalística de analise do processo e tomada de decisão. Consideramos que todos os dados enviados pelo sensor de umidade estavam adequados para o desenvolvimento didático, mas a aplicação pratica do protótipo demanda a analise e estudo de característica especifica de tipo de vegetal a ser irrigado, sistema de irrigação adotado e escolha dos instrumentos dentro da realidade do projeto pratico a ser desenvolvido. Para 210

visualização e entendimento foi inserido um anexo com mais imagens para melhor ilustração.

211

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BALBINOT, Alexandre; João Brusamarello Valner. Instrumentação e fundamentos de medidas. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. BEGA, Egídio Alberto. Instrumentação industrial. 3 ed. Rio de Janeiro: Interciência, 2011. MORAES, Cicero Couto De; Plínio De Lauro Castrucci. Engenharia de automação industrial. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012. NORMAN S. Nise. Engenharia de Sistema de Controle. 5 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2011. PORTAL UFSM. Microcontroladores. Disponível em: . Acesso em: 14 jul. 2016. ROBÓTICA ESCOLA DE VERÃO. Apostila de arduino. Disponível em: . Acesso em: 13 jul. 2016. SILVEIRA, Paulo Da; SANTOS, Winderson Eugenio Dos. Automação e controle discreto. 9 ed. São Paulo: Erica, 2009.

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ANEXO:

---------------------------------------------- Código Arduino -------------------------------------------#include // inculi a biblioteca do display 16x2 LiquidCrystallcd(7, 6, 5, 4,3,2); //define as portas //comocomunicaçãoparadisplay int umidade; // define a umidade com valor inteiro intsetpoint; // define a set poit com valor inteiro void setup() { lcd.begin(16, 2); //define os seguimentos do display lcd.setCursor(0,0); // seta os seguimentos na primeira casa do display pinMode(8, OUTPUT); // define porta 8 comosaída pinMode(9, OUTPUT); // define porta 9 como saída pinMode(10, OUTPUT); // define porta 10 como saída lcd.print("Iniciando"); // mensagem inicial do display ao ligar o irrigador delay(1500); lcd.clear(); lcd.print("Iniciando."); delay(700); lcd.clear(); lcd.print("Iniciando.."); delay(700); lcd.clear(); lcd.print("Iniciando..."); delay(1000); lcd.clear(); lcd.print("Bem Vindo "); delay(1000); lcd.setCursor(0,8); lcd.print(" Irrigador 3.0"); delay(2500); lcd.clear();// Limpa o display para iniciar o loop } void loop() //inicia o loop { lcd.setCursor(0, 0); // seta os seguimentos na primeira casa do display umidade = analogRead(A0); //faz a leitura da porta analógica A0 lendo a ///umidade do solo umidade = map(umidade, 1023, 0, 0, 100); // converte o sinal de 0-1023 para de //0-100 setpoint = analogRead(A1); //faz a leitura da porta analógica A1 lendo o set poit

setpoint = map(setpoint, 1023, 0, 0, 100); // converte o sinal de 0-1023 para de0//100 Serial.print("Umidade em:"); Serial.print(umidade); Serial.println("%"); 213

lcd.print(umidade); //imprime no display o valor de umidade lcd.print(" %"); //imprime no display a "%" lcd.setCursor(0,8); //seta o cursor na segunda linha do display lcd.print("Ligar Bomba em:"); // imprime no display o set poit desejado lcd.print(setpoint); lcd.print(" %"); if(umidade = 0 && umidade