A.1 Tabela de conversão índice de UV
2.2 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS
3.2.3 SENSOR TEMPERATURA
Para a leitura de temperatura utilizou-se o sensor LM35, mostrado na Figura 3.7 [58]. Trata-se de um sensor de precisão com uma voltagem, pois é alimentado com uma tensão de 5V, gerando uma saída analógica em tensão. Sua faixa de medição é de -55 oC a
150 oC, com precisão de 0,5 oC. A tensão de saída é de 10 mV/oC. O LM35 tem um
funcionamento básico, de forma que cada 10mV na saída representa 1oC. Portanto, se for
medido em sua saída 222mV, este valor representa temperatura de 22,2oC. A saída do
LM35 está conectada à porta A/D-04 do microcontrolador. Utilizou-se uma equação para a conversão cujo valor do A/D lido é multiplicado por 5 e dividido por 1023, finalmente, o resultado é dividido por 0,01.
Figura 3.7: Sensor de temperatura. Fonte: Manual do fabricante [58].
3.2.4
SENSOR ACELERÔMETRO
O sensor MPU-6050 demonstrado na Figura 3.8 contém um acelerômetro e um giros- cópio em um único chip. Contém 16-bits analógico, hardware de conversão digital para cada canal. A aceleração medida é expressa em 3 eixos: X, Y e Z, as três dimensões do espaço [59].
Figura 3.8: Sensor acelerômetro MPU-6050. Fonte: Manual do fabricante [59].
Recordando que a aceleração da gravidade terrestre de aproximadamente 9,8 m/s perpendicular ao solo. O sensor é definido pelo endereço 0x68 quando pino AD0 está conectado diretamente ao terra e 0x69 quando o pino AD0 está ligado diretamente à alimentação. Utilizou-se o protocolo de comunicação I2C para fazer a interface com o microcontrolador no barramento. O protocolo I2C, é formado por apenas dois fios (SCL e SDA), sendo que a quantidade de dispositivos é limitada pelo tamanho do endereço e da capacidade de processamento do microcontrolador [60]. A equação 3.2 representa a equação da matriz de rotação que calcula o deslocamento de inclinação de cada eixo (X, Y, Z).
RotX = 1 0 0 0 0 cos(θx) −sen(θx) 0 0 sen(θx) cos(θx) 0 0 0 0 1 RotY = cos(θy) 0 sen(θy) 0 0 1 0 0 −sen(θy) 0 cos(θy) 0 0 0 0 1 (3.2) RotZ = cos(θz) −sen(θz) 0 0 sen(θz) cos(θz) 0 0 0 sen(θx) 0 0 0 0 0 1
Os valores de referências de cada eixo foram coletados pelo microcontrolador, e com- parados com os valores internos gerados pela equação de declinação solar e pelos valores do ângulo do nascer ao pôr-do-sol. O erro estimado é de 0,5o para cada ângulo.
3.2.5
FILTRO COMPLEMENTAR
Com o objetivo de eliminar o ruído, e obter a medição dos ângulos, sem que o acelerô- metro detecte outra força além da gravidade, um filtro complementar foi utilizado. As Figuras 3.9 e 3.10 mostram, respectivamente, a eficiência do filtro em relação aos ângulos de rotação X e Y do acelerômetro.
Figura 3.9: Gráfico de simulação rotação em X. Fonte: Autor.
Figura 3.10: Gráfico de simulação rotação em Y. Fonte: Autor.
O filtro complementar é uma combinação de dois filtros diferentes: um filtro passa- alta para o giroscópio e um filtro passa-baixa para o acelerômetro. Este filtro é ideal para programar microcontroladores devido as suas vantagens: fácil uso, de baixo custo de processamento e com boa precisão [61].
Na primeira implementação do projeto observou-se que devido a ruído no sinal iden- tificado pelo microcontrolador, o sistema mecânico ficava ajustando a angulação da placa constantemente o que ocasionava desgaste mecânico na corda, tal desgaste ocorria um rompimento da corda. Para resolver este problema foi utilizado o filtro complementar no acelerômetro corrigindo o sinal, assim o microcontrolador pode fazer a leitura com uma maior precisão e, ao movimentar o sistema mecânico de um ângulo para outro este movimento ficou mais suave.
3.2.6
DRIVE MOTOR
O drive motor utilizado para este projeto foram utilizadas duas pontes H Bridge Motor 30A VNH2SP30, que possuem quatro drives bidirecionais que podem ser configurados para trabalhar como duas pontes-H diferentes. Possibilitando ligar dois motores diferentes com controle do sentido de giro. É possível controlar um motor de até 36V, de acordo com a especificação do fabricante, corrente constante de 1,2A e corrente de pico de até 30A. A Figura 3.11 mostra ponte H utilizada [62].
Figura 3.11: Módulo ponte H. Fonte: Manual do fabricante [62].
Os dois motores (A e B) foram ligados nas portas digitais do microcontrolador. Para controlar o sentido da rotação dos motores foi necessário inverter os polos de alimentação. A ponte H tem a função de inverter a alimentação dos motores através de quatro contatos que se fecham, invertendo o caminho que a corrente elétrica percorre. Sendo assim, é necessário ativar A1 e B1 para que o motor vire para sentido horário, e A2 e B2 para virar anti-horário. A Figura 3.12 mostra o funcionamento da ponte H, sendo o motor A (MA) o que gira no sentido Leste-Oeste e o motor B (MB), o responsável para o giro de Norte-Sul.
As especificações técnicas do motor utilizado serão apresentadas adiante (vide Tabela 3.4).
Figura 3.12: Funcionamento da ponte H. Fonte: Autor.
3.2.7
MÓDULO RTC
O módulo RTC (Real Time Clock, em português Relógio de Tempo Real) é utilizado em projetos que necessita manter as informações de data e hora armazenadas, mesmo que a fonte de alimentação do circuito seja desconectada [63]. O módulo RTC utilizado no projeto é o DS1307 (Figura 3.13), de dimensões 27 x 28 x 8,4mm. Esse módulo possui calendário completo, sendo capaz de fornecer informações como segundos, minutos, horas, dia, data, mês e ano, nos formatos de 12 ou 24 horas, a partir do ano de 2000 até 2099. Ajustes de meses com menos de 31 dias e anos bissextos são realizados automaticamente. Também está presente um circuito de detecção de falhas de energia, que aciona automati- camente a bateria de lítio (presente no módulo) caso a alimentação externa seja cortada, preservando assim os dados [64].
Figura 3.13: Módulo Real time clock (RTC) Fonte: Autor.
As informações são transmitidas ao microcontroladdor via barramento I2C, que é composto de dois fios (SDA e SCL) e a alimentação (3.3V ou 5V), onde o fio SCL é responsável pelo controle do barramento e o fio SDA pela transmissão dos dados [65]. A faixa de temperatura de funcionamento estabelecida pelo fabricante varia de -40oC a
+85oC. Possui 56 bytes de Static Random Access Memory (SRAM) que podem ser usados
como memória a mais do microcontrolador [64].
Este projeto utilizou a hora local como referência para armazenamento dos dados (horário de Brasília), o horário de verão é atualizado automaticamente. O módulo RTC é responsável por fornecer as informações de data e hora que são necessárias para o cálculo de δ.
3.3
SENSOR ULTRAVIOLETA
A leitura do índice de UV tem sido realizada com a utilização do sensor GUVA-S12SD [66]. Este possui uma faixa de medição do comprimento de onda que varia de 220nm a 380nm. A saída do sensor está conectada à porta A/D-03 do microcontrolador. Na Figura 3.14, pode ser observada a curva de variação de tensão (mV) em função do índice UV. Para determinar a tensão (mV) do pino A/D obtido, o valor de leitura é multiplicado por 5 e, em seguida, dividido por 1023 [67]. O resultado desta equação é multiplicado por 1000. Sendo o valor final (convertido em tensão) comparado com os intervalos de variações analógicos que correspondem aos diferentes valores de índice UV, como demonstrado na Tabela do anexo A.
Figura 3.14: Curva característica do sensor UV adaptado. Fonte: Manual do fabricante [66].
O sensor UV foi montado em uma caixa plástica de tamanho 40x10X36,8 mm, com um corte superior onde encontra-se o sensor. Utilizou-se um fragmento de vidro de quartzo e cola silicone para vedação do circuito, evitando entrada de água.
Para confirmar que a utilização da placa de quartzo não influenciaria nas medições de raios UV, foram feitas leituras de absorbância e transmitância em espectrofotômetro (Anexos B e C). A partir de tais leituras verificou-se que a placa de quartzo permite a passagem luz na faixa entre 200 e 380 nm.
A Figura 3.15 mostra a escala do UVI e as suas medidas de proteção como descrito na Seção 1.1.
Figura 3.15: Índice de UVI e suas proteções necessárias. Fonte:Fonte: Adaptado de OMS [19].
3.4
SISTEMA DE CONTROLE
O sistema de controle é composto por um microcontrolador ATMEL 328 (Arduino nano) [68]. O microcontrolador possui 14 pinos digitais, sendo 6 pinos utilizados como saídas PWM, estes pinos digitais podem ser configurados como entradas ou saídas (I/O). Possui 8 entradas analógicas com 10 bits de resolução cada. Conta com uma memória flash de 16Kb, sendo que 2Kb é utilizado pelo bootloder e o clock de funcionamento é de 16 MHz.
Foi utilizado uma Shield Ethernet modelo W5100 [69]. Esta placa possui um chip WIZnet ethernet W5100 que fornece acesso à rede (IP) nos protocolos TCP ou UDP e foi utilizado usando a biblioteca Ethernet Library. O protocolo de comunicação é a comunica- ção SPI (Serial Peripheral Interface), identificada pela sigla (SS, MOSI, MISO, SCK, +5v e GND). A conexão foi feita nos pinos 10, 11, 12, 13, +5V e GND do microcontrolador.
O microcontrolador desempenha a leitura dos sensores pela porta analógica/digital (A/D), em seguida, as informações são enviadas em tempo real para o servidor da facul- dade. A Figura 3.16 mostra o diagrama de ligação dos sensores.
Figura 3.16: Diagrama em bloco da aquisição de dados dos sensores. Fonte: Autor.
Para a ligação foram utilizados os pinos AD-00, AD-01, AD0-2 para a aquisição de dados de tensão dos painéis P1, P2 e P3, respectivamente. Os pinos A/D-05, A/D-06 e A/D-07 foram ligados para leitura de corrente dos painéis P1, P2 e P3, respectivamente.
O pino A/D-04 foi ligado ao sensor de temperatura e o pino A/D-03 foi conectado ao sensor de UV. A Tabela 3.3 mostra a ligação de cada pinagem do sistema de sensores e placa de interface com a web ao microcontrolador.
Tabela 3.3: Ligação dos pinos no microcontrolador
fonte:Autor
Pinagem Sensor
A/D-00 Dados de Tensão (P1)
A/D-01 Dados de Tensão (P2)
A/D-02 Dados de Tensão (P3)
A/D-05 Dados de Corrente (P1)
A/D-06 Dados de Corrente (P2)
A/D-07 Dados de Corrente (P3)
A/D-04 Sensor de Temperatura
A/D-03 Sensor de UV
Pinagem Módulo Ethernet (cada pino) 10 Digital – SS SS (Slave Select )
11 Digital - MOSI MOSI (Master Output Slave Input ) 12 Digital - MISO MISO (Master Input Slave Output ) 13 Digital - SCK SCK (sincronização SPI )
Um outro microcontrolador, consiste no controle dos motores de rotação, os quais são acionados conforme equações de posicionamento solar, fazendo a leitura de dados do sensor acelerômetro e do módulo RTC (Real Clock Time). A Figura 3.17 ilustra o diagrama de controle.
Figura 3.17: Diagrama em bloco do sistema de controle do mecanismo. Fonte: Autor.
Os painéis foram dispostos da seguinte maneira: o primeiro painel (P1) de forma fixa, o segundo painel (P2) com rotação de apenas um eixo, e o terceiro painel (P3) com rotação de dois eixos. Para rotação dos eixos utilizou-se motores de baixa rotação (3 rpm) e alto torque (15kgf/cm) [70]. Os motores escolhidos foram os da empresa Akiyama Motors e seu modelo é AK510, ilustrado na Figura 3.18.
Figura 3.18: Motor de grua de baixa rotação. Fonte: Manual do fabricante [70].
O motor de passo atenderia bem às condições de funcionamento do sistema, mas se- ria necessário utilizar um redutor para manter o sistema estático, e isso acarretaria em um custo adicional, inviabilizando a implementação do projeto. Uma alternativa para utilização do motor de passo seria induzir a frenagem do motor por meio de indução das bobinas, processo que consumiria grande quantidade de energia elétrica para manter o motor parado, isto também implicaria em um alto custo para o funcionamento. Con- siderando tais dificuldades, foram escolhidos os motores de corrente contínua, os quais apresentam alto torque e baixa rotação, atendendo às exigências do sistema e diminuindo o custo de implementação. As especificações técnicas do fabricante estão descritas na Tabela 3.4.
Tabela 3.4: Especificações técnicas do motor-redutor.
fonte: Manual do fabricante
Nome do motor AK510
Máxima Potência (Pmax) 3,7W
Tensão Nominal 12V
Corrente sem carga 20mA Corrente máximo rendimento 150mA
Torque 15kgf/cm
Torque partida 45kgf/cm
RPM 3
3.5
SISTEMA DE POSICIONAMENTO
Esta seção descreve os critérios utilizados para instalação do painel fixo e o mecanismo de posicionamento dos painéis móveis de um e dois eixos.