O sistema pode ser observado atrav´es do diagrama de blocos apresentado na figura 24. Os blocos ser˜ao abordados individualmente nos t´opicos seguintes deste cap´ıtulo. Os componentes necess´arios para a construc¸˜ao de cada bloco, assim como suas especificac¸˜oes t´ecnicas ser˜ao os assuntos tratados.
Figura 24: Topologia do sistema. Fonte: Dos autores
4.1.1 Modo de funcionamento
O princ´ıpio de funcionamento do sistema ´e controlar a vaz˜ao de ´agua a partir da distˆancia do usu´ario em relac¸˜ao ao chuveiro. Cada distˆancia est´a associada a uma porcentagem de abertura da v´alvula para liberac¸˜ao da ´agua. Entretanto, estas foram estabelecidas durante o desenvolvimento do prot´otipo (Cap´ıtulo 5).
do sensor ultrassˆonico. O sistema de controle recebe os dados do sensor e determina a vaz˜ao de ´agua, enviando as instruc¸˜oes de controle para a planta. Esta por sua vez fornece duas vari´aveis de sa´ıda, a partir das quais ´e poss´ıvel realizar o procedimento de abertura e fechamento proporcional da v´alvula de acordo com o comando dado. A primeira, Q(t), representa a quantidade de ´agua liberada pelo chuveiro durante o tempo. J´a a segunda, θ (t), representa a variac¸˜ao angular de abertura ou fechamento da v´alvula durante o tempo.
Para que o sistema de controle reconhec¸a a posic¸˜ao exata de abertura ou fechamento da v´alvula, foi utilizado um encoder. O sensor de vaz˜ao foi utilizado para aquisic¸˜ao dos dados para an´alise do consumo de ´agua, conforme descrito no cap´ıtulo 6.
O prot´otipo tamb´em ser´a equipado com LED’s das cores verde, amarelo e vermelho para indicac¸˜ao do tempo de banho decorrido. O LED verde ser´a acionado assim que o prot´otipo for ligado, e permacer´a aceso por 5 minutos. Decorrido esse tempo, o LED verde apagar´a e o amarelo acender´a ,indicando um tempo de banho entre 5 e 10 minutos. Ap´os 10 minutos, o LED amarelo apagar´a e o vermelho acender´a, permacendo ligado at´e o t´ermino do banho.
4.1.2 Planta
Como a proposta ´e fazer o controle da vaz˜ao da ´agua do chuveiro, necessita-se de uma v´alvula que permita um controle anal´ogico da sua posic¸˜ao, isto ´e, um controle mais amplo da porcentagem de abertura e fechamento da mesma. V´alvulas com esse tipo de configurac¸˜ao n˜ao s˜ao dif´ıceis de serem encontradas no mercado, no entanto, tˆem um alto custo. Devido a isso, buscou-se alternativas de menor custo que continuassem atendendo os requisitos pr´e-estabelecidos. Sendo assim, optou-se por construir o sistema atrav´es de uma adaptac¸˜ao mecˆanica que une o motor `a v´alvula, conforme mostra a figura 25.
A planta ´e composta por um motor de corrente cont´ınua com caixa de reduc¸˜ao e por uma v´alvula controladora, como apresentado na figura 25. A tens˜ao de funcionamento do motor ´e de 9 a 24 V e a corrente m´axima ´e de 430 mA. Seu torque e velocidade n˜ao s˜ao conhecidos, pois ´e um motor de sucata e n˜ao foram encontradas as suas especificac¸˜oes t´ecnicas. A v´alvula, por sua vez, ´e formada por um registro de esfera de PVC, com diˆametro de rosca 3/4”.
Figura 25: Conjunto motor e v´alvula. Fonte: Dos autores
4.1.3 Sistema de controle
Para compor o sistema de controle s˜ao usados um microcontrolador e um driver de motor. Suas caracter´ısticas ser˜ao apresentadas nas pr´oximas subsec¸˜oes.
4.1.3.1 DriverDRV8801
Para controle do motor ser´a utilizado um CI (Circuito Integrado) da Texas Instruments, o DRV8801. Este dispositivo consiste de uma ponte H a qual pode controlar motores CC de escovas, motores de passo e at´e mesmo solenoides. Suas principais caracter´ısticas s˜ao:
• Tens˜ao de alimentac¸˜ao: de 8 a 36 V;
• Suporta controle em PWM (Modulac¸˜ao por Pulso);
• Baixo consumo no moto ativo (em torno de 6 a 7 mA);
• Possui modo Low-power sleep.
O motivo da escolha deste CI se d´a pelo fato de possuir caracter´ısticas de baixo consumo, o que ´e bastante importante para o projeto devido a alimentac¸˜ao ser proveniente de baterias. A figura 26 apresenta a configurac¸˜ao dos pinos deste dispositivo.
Figura 26: Driver DRV8801. Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS, 2008)
De acordo a TEXAS INSTRUMENTS (2008), o controle do motor pode ser feito seguindo a tabela 4, cuja descric¸˜ao ´e semelhante a da tabela 3 da sec¸˜ao 3.3, que representa o n´ıvel l´ogico dos respectivos pinos de controle.
Tabela 4: Tabela dos pinos do DRV8801
PINOS
OPERAC¸ ˜AO PHASE ENABLE MODE 1 MODE 2 nSLEEP OUT+ OUT-
1 1 X X 1 H L Sentido 1
0 1 X X 1 L H Sentido 2
X 0 1 0 1 L L Parar
X 0 1 1 1 H H Parar
X X X X 0 Z Z Sleep
Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS, 2008)
Na tabela 4, X pode assumir n´ıvel l´ogico 0 ou 1, n˜ao interferindo na operac¸˜ao, Z ´e alta impedˆancia no respectivo pino, H ´e o estado l´ogico em n´ıvel alto e L ´e o estado l´ogico em n´ıvel baixo. Admite-se Sentido 1 e Sentido 2 como sendo sentidos opostos.
4.1.3.2 Microcontrolador Atmega328
Empregou-se o microcontrolador Atmega328 que pertence `a fam´ılia AVR (Advanced Virtual RISC ou Alf and Vegard RISC) da Atmel, sendo que todos os modelos desta fam´ılia compartilham uma arquitetura e conjunto de instruc¸˜oes b´asicas (SILVEIRA, 2011).
Segundo Lima (2009), este dispositivo de 8 bits tem uma arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer), possui 32 kB de Flash, 1 kB de EEPROM (Electrically- Erasable Progammable Read-Only Memory), 2 kB de SRAM (Static Random Access Memory), 32 registradores de uso geral, 3 temporizadores/contadores, uma USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter), portas de comunicac¸˜ao SPI (Serial Peripheral Interface) e 6 conversores anal´ogico digital de 10 bits. Pode operar em baixa tens˜ao de at´e 1,8 V, e tem uma corrente m´axima por pino de 40 mA. Possui 28 pinos, sendo que 23 desses podem ser utilizados como entrada ou sa´ıda.
A pinagem do microcontrolador Atmega328 e a descric¸˜ao de cada pino podem ser observados na figura 27 e na tabela 5, respectivamente.
Figura 27: Pinagem do Atmega328. Fonte: (FABRINI, 2015)
Tabela 5: Descric¸˜ao dos pinos do Atmega328
VCC Tens˜ao de alimentac¸˜ao
GND Terra
Port B Porta bi-direcional de I/O (Input/Output) de 8 bits com resistores internos de pull-up
Port C Porta bi-direcional de I/O de 7 bits com resistores internos de pull-up
PC6/RESET Pode ser usado como um pino de I/O, sendo que suas caracter´ısticas el´etricas diferem dos outros pinos do Port C, ou pode ser usado com entrada de reset Port D Porta bi-direcional de I/O de 8 bits com resistores internos de pull-up AVCC Pino para a tens˜ao de alimentac¸˜ao do conversor AD
AREF Pino para a tens˜ao de referˆencia anal´ogica do conversor AD ADC 0 a 6 Servem como entradas anal´ogicas para o conversor AD
Fonte: (FABRINI, 2015)
4.1.4 Sensor ultrassˆonico
Pretende-se utilizar o sensor ultrassˆonico modelo HC-SR04 da marca Elecfreaks, ilustrado na figura 28. Conforme o fabricante, seu alcance de medic¸˜ao ´e de 20 mm a 4000 mm, com precis˜ao de 3 mm.
Figura 28: Sensor ultrassˆonico HC-SR04. Fonte: Dos autores.
O sensor ´e composto de um emissor e um receptor de ondas sonoras. Quando o trigger recebe um pulso de 5 V, por pelo menos 10 µs, o sensor transmite 8 ciclos de pulsos ultrassˆonicos a 40 kHz e espera pelo sinal refletido. Ao recebˆe-lo, o pino Echo ser´a colocado em high e sofrer´a um delay proporcional `a distˆancia. Pode ser observado na figura 29 o modo de funcionamento detalhado do sensor (THOMSEN, 2011).
Em outras palavras, o funcionamento do HC-SR04 baseia-se no envio de sinais ultrassˆonicos pelo sensor, que aguarda o retorno (Echo) do sinal, e com base no tempo entre envio e retorno, calcula-se a distˆancia entre o sensor e o objeto detectado (THOMSEN, 2011).
Figura 29: Modo de funcionamento detalhado do sensor ultrassˆonico HC-SR04. Fonte: (THOMSEN, 2011)
A figura 30 apresenta o modo de funcionamento geral do HC-SR04.
Figura 30: Modo de funcionamento do sensor ultrassˆonico HC-SR04. Fonte: (THOMSEN, 2011)
4.1.5 Encoder
Por se tratar de um prot´otipo, ao inv´es de utilizar um encoder j´a existente no mercado, cujo custo ´e elevado, optou-se por confeccionar um encoder regular composto por um disco codificado circular de 24 rasgos, indicado na figura 31, e um sensor fotoel´etrico formado por um fotodiodo e um emissor de luz, apresentado na figura32.
Figura 31: Encoder utilizado no sistema. Fonte: Dos autores.
Figura 32: Sensor fotoel´etrico empregado no sistema. Fonte: Dos autores.
4.1.6 Sensor de vaz˜ao
O sensor de vaz˜ao a ser utilizado ser´a o sensor de vaz˜ao do tipo efeito Hall, modelo FS300A G3/4”, da empresa Uxcell. Este sensor pode ser observado na figura 33.
Figura 33: Sensor de vaz˜ao.
Fonte: (HU INFINITO COMPONENTES ELTR ˆONICOS, 2016)
As especificac¸˜oes t´ecnicas do sensor de vaz˜ao s˜ao:
• Tens˜ao de trabalho: 5-24 V;
• Corrente de trabalho: m´aximo 15 mA;
• Temperatura de trabalho: At´e 80◦C;
• Fluxo: 1-60 l/min;
• Precis˜ao: 0.5-60 l/min ±1%;
• Press˜ao m´axima: 1.75 MPa;
• Faixa de umidade de operac¸˜ao: 35%-90% RH (sem gelo);
• Roscas externas: 3/4”;
• Material: PVC;
• Peso: 51 g;