PEDRO DE BEM SILVA
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PARA RODOVIAS DURANTE INCIDÊNCIA DE NEBLINA E CHUVA
Palhoça 2013
SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PARA RODOVIAS DURANTE INCIDÊNCIA DE NEBLINA E CHUVA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Elétrica Telemática da Universidade do Sul de Santa Catarina, como requisito parcial à obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Profª. Sheila Santisi Travessa, M.Eng.
Palhoça 2013
filhas Isabely e Yasmin, e toda a minha família. (Glauco Silva Leonardo).
Dedico este trabalho a minha esposa Helen, a minha mãe Thais, ao meu pai Pedro, ao meu irmão Matheus e a minha família e amigos. (Pedro de Bem Silva).
Glauco agradece:
A minha mãe Eliana que está desde o inicio nesta difícil caminhada sem fraquejar em nenhum momento, compartilhando momentos de dificuldade e de alegria. Nós conseguimos! Um muito obrigado e nunca esquecerei o que você fez para que este sonho fosse realizado.
A minha esposa Rosilei que é uma grande companheira e estará sempre ao meu lado. Amo muito você e obrigado por me ajudar a ser uma pessoa cada vez melhor.
As minhas filhas Isabely e Yasmin que nasceram durante a graduação, principalmente a pequena Isabely, que por muitas vezes ficou acordada me aguardando chegar da faculdade para brincar e dormir ao meu colo.
Aos meus amigos e colegas que estavam sempre presentes ao meu lado durante todo o curso.
A professora Sheila pela orientação no trabalho de conclusão de curso.
Pedro agradece:
Especialmente a Deus por tudo.
A minha esposa Helen que sempre esteve ao meu lado com muito carinho, atenção, amor e que sempre compreendeu as dificuldades que a graduação ocasionou. Cada dia eu amo mais, hoje mais que ontem e menos que amanhã (Rosemonde Gérard).
A minha mãe Thais e ao pai Pedro que me possibilitaram alcançar este difícil objetivo, com muitos ensinamentos, sabedoria, paciência e amor.
Ao meu irmão Matheus que de maneira única sempre esteve ao meu lado compartilhando das dificuldades e felicidades.
Aos meus amigos por todos os momentos bons vivenciados durante estes anos. A querida Mestra Sheila pela atenção e paciência na orientação de conclusão de curso.
O presente trabalho apresenta um projeto de um sistema de iluminação para rodovias durante a incidência de neblina e chuva, pois tais condições climáticas agravavam o número de mortes nas rodovias. Objetivou-se, portanto, verificar, projetar e implementar uma solução que pudesse auxiliar os condutores e possivelmente diminui a taxa de mortalidade. Sobretudo os métodos utilizados buscavam no sistema, autonomia, eficiência e baixos custos, considerando no futuro uma viabilização comercial. Para isso foi utilizado um sistema que consiste em um microcontrolador, que a partir de uma leitura realizada por um sensor de temperatura e umidade, aciona um circuito de sinalização, enquanto todo o sistema é alimentado por uma bateria carregada por painéis solares. Ao final dos resultados obtidos em simulações, o sistema mostrou-se operante conforme proposto no projeto. Portanto, com o funcionamento, conclui-se que devido à ausência de tal produto no mercado, e após futuros estudos, a consolidação do projeto será tecnicamente viável.
This work presents a system of illumination for highways during an incident of fog and rain, since these climactic conditions increase the number of deaths on highways. Therefore, the objective was to create and implement a solution that could assist drivers and possibly decrease such death rates. Above all, the methods used in this project looked for independence, efficiency, and low costs from the system, considering a possible commercialization in the future. For this project, a system that consists of a microcontroller was used and after a humidity and temperature reading, a circuit is signaled while the rest of the system is fed by a battery charged by solar panels. In the end, the obtained results from simulations showed that the system performed as proposed. Therefore, with this confirmed functioning, we concluded that the absence of such a system in the market and after future studies, a consolidation of this project would be technically viable.
Figura 1: Baixa Visibilidade em Neblina ... 16
Figura 2: Baixa Visibilidade em Chuva ... 16
Figura 3: Software de Programação do Arduino ... 23
Figura 4: Painel Fotovoltaico ... 24
Figura 5: Efeito Fotovoltaico ... 26
Figura 6: Placa Captando Energia Solar ... 27
Figura 7: Estrutura da Célula Fotovoltaica ... 28
Figura 8: Bateria 12V ... 29
Figura 9: Pilha de Volta ... 31
Figura 10: Alguns Exemplos de Componentes Eletrônicos ... 34
Figura 11: LED - Diodo Emissor de Luz ... 35
Figura 12: Lâmpada de LED ... 37
Figura 13: Tabela de Código de Cores do Resistor ... 38
Figura 14: Modelo de Resistor Fixo ... 38
Figura 15: Sensor DHT11 ... 44
Figura 16: Engavetamento de Veículos na Rodovia Imigrantes/SP ... 45
Foto 1: Placa do Arduino Uno R3 ... 21 Foto 2: Hardware do Arduino Uno R3 ... 22 Foto 3: Protótipo do Sistema de Sinalização no Protoboard ... 58
A/D – Analógico / Digital dB – Decibéis
GND – Ground ou Terra Elétrico
IDE – Ambiente de Desenvolvimento Integrado IDII – Interaction Design Institute Ivrea
I/O – IN / OUT
LED – Diodo Emissor de Luz LDR – Resistor Dependente da luz MWP – Mega Watt Pico
NASA – National Aeronautics and Space Administration NTC – Coeficiente Térmico Negativo
PTC – Coeficiente Térmico Positivo PWM – Pulse Width Modulation RGB – Red, Green and Blue USB – Universal Serial Bus VCC – Volts Corrente Contínua
1 INTRODUÇÃO ... 14 1.1 MOTIVAÇÃO ...16 1.2 JUSTIFICATIVA ...17 1.3 OBJETIVOS ...17 1.3.1 Objetivo Geral ...17 1.3.2 Objetivos Específicos ...17 1.4 METODOLOGIA DA PESQUISA ...18 1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO ...18 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 20 2.1 ARDUINO ...20 2.1.1 História ...21 2.1.2 Hardware ...22 2.1.3 Software ...23 2.2 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ...24
2.2.1 História da Célula Fotovoltaica ...24
2.2.2 Efeito Fotovoltaico ...26
2.2.3 Estrutura de uma Célula Fotovoltaica ...27
2.3 PILHAS E BATERIAS ...28
2.3.1 Energia Química ...29
2.3.2 Pilhas, Baterias e a Linguagem ...30
2.3.3 Linha do Tempo das Pilhas e Baterias ...31
2.4 COMPONENTES ELETRÔNICOS ...34
2.4.1 LED – Light Emitting Diode ...34
2.4.1.1 História do LED ... 35
2.4.1.2 Aplicação do LED ... 36
2.4.2 Resistor ...37
2.4.3 Sensores ...39
2.4.3.1 Características dos Sensores ... 41
2.4.3.1.1 Faixa ...41
2.4.3.1.2 Resolução ...41
2.4.3.1.6 Exatidão ou Erro ...42
2.4.3.1.7 Relação Sinal/Ruído...43
2.4.3.1.8 Resposta em Frequência ...43
2.4.3.2 Sensor de Umidade e Temperatura DHT11 ... 44
2.5 ACIDENTES PROVOCADOS POR NEBLINA E CHUVA ...44
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO... 47
3.1 ARDUINO SOFTWARE ...47
3.2 ARDUINO HARDWARE ...47
3.3 ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA ...48
3.4 SENSOR DHT11 PARA ARDUINO ...49
3.5 SINALIZAÇÃO ...49
3.6 CÓDIGO EM C ...50
3.6.1 Inclusão de Biblioteca ...50
3.6.2 Atribuição de Variável por Porta na Interface Física ...51
3.6.3 Instanciar a Biblioteca ...51
3.6.4 Estabelecer Função da Interface Física ...52
3.6.5 Criação da Função em Laço ...53
3.6.5.1 Declaração das Variáveis ... 53
3.6.5.2 Verificação do Estado do Sensor ... 53
3.6.5.3 Função Lógica ... 54
3.6.5.4 Acionamento dos LED’s ... 55
3.6.5.5 Pausa Entre as Leituras ... 56
3.7 CONSTRUÇÃO DO PROTÓTIPO ...57
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 59
5 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS... 60
REFERÊNCIAS ... 62
ANEXOS ... 63
1 INTRODUÇÃO
Com o crescente aumento na frota de veículos que trafegam pelas rodovias brasileiras, aumentam as chances de acidentes, principalmente em condições climáticas desfavoráveis. Para auxiliar nesta segurança, aproveitando os inúmeros recursos tecnológicos atuais de circuitos eletrônicos mais eficientes e robustos, podem ser criadas sinalizações modernas, criativas e capazes de serem autônomas, com propósito de gerar mais segurança na sinalização para uma melhor condução dos motoristas.
Além de diversas estradas espalhadas pelo país estarem em péssimas condições, existe outros perigos a serem considerados, e que não ocorrem apenas pelas condições das estradas, mas sim devido à localização delas, podendo sofrer interferência do clima da região, tornando a dirigibilidade mais perigosa.
Em estradas e rodovias que cruzam serras, por exemplo, os motoristas encontram normalmente fenômenos climáticos que tornam as estradas mais perigosas para se dirigir, até mesmo para os condutores experientes e que respeitam as sinalizações e normas de transito, pois estas variações no clima ocorrem de surpresa ou mesmo em determinadas horas dependendo do clima na ocasião.
Nos casos de formação de neblina que normalmente ocorrem em regiões de serras, por serem mais úmidas e com maior incidência no inverno, a visibilidade dos condutores fica muito prejudicada, aumentando a probabilidade de perigosos acidentes. Com a visibilidade prejudicada, os motoristas normalmente perdem o traçado da estrada, saindo da pista causando sustos ou acidentes, ou mesmo podem colidir com outros veículos e obstáculos à sua frente, devido à baixa visibilidade.
Há também a possibilidade de chuvas em abundância, que resulta em dificuldades na visibilidade, principalmente em certas épocas do ano onde ocorrem chuvas fortes num pequeno período, ou mesmo por dias consecutivos, agravando as condições da condução dos veículos, tornando perigoso o tráfego pela rodovia.
Os acidentes causados em condições de intensa neblina e chuva podem causar danos materiais, ser de grandes proporções e até mesmo fatais, como nos inúmeros casos já documentados no Brasil e em outros lugares pelo mundo. Existem casos de acidentes gravíssimos envolvendo dezenas de veículos de passeio e de carga em engavetamentos enormes, onde um primeiro veículo levado pela falta de visibilidade veio a provocar um acidente, onde outros veículos iniciaram sucessivas colisões, mais conhecidas como
engavetamentos, e de acidentes provocados por baixa visibilidade da estrada em chuvas, onde os condutores perderam o traçado da pista, saindo dela e vindo a colidir em árvores, caindo de pontes ou barrancos.
Outros acidentes graves em neblina ocorrem quando os motoristas perdem o traçado das curvas por não conseguirem visualizar corretamente a estrada, e colidem contra árvores e despencam de encostas, causando inclusive a morte de muitas pessoas.
Uma vez que nossa tecnologia está muito mais avançada atualmente, se torna cada vez mais possível o uso da mesma para criar sinalizações que possam auxiliar os motoristas a dirigirem sob estas condições climáticas, de forma a melhor orienta-los numa condução mais segura pelas rodovias.
A tecnologia disponível viabiliza a criação de dispositivos eletrônicos totalmente independentes e que possam se manter em funcionamento por meses, sem necessidade de manutenção em curto prazo, sendo totalmente autônomas, justamente para serem instaladas em locais mais distantes e que se quer possuem iluminações públicas e que possuem maior incidência a condições climáticas adversas aos motoristas.
Esses sistemas podem ser confeccionados e instalados em pontos estratégicos, onde há iminência de acidentes graves quando em condições de intensa neblina e chuva, identificando através de sensores a formação baixa umidade, que também é um fenômeno que ocorre no aparecimento de neblina, e acionando um dispositivo capaz de iniciar um ciclo de sinalização luminosa com lâmpadas especiais para serem vistas sob forte neblina e chuva que indicam a presença de curvas ou obstáculos perigosos à frente.
Este sistema pode ser alimentado por baterias específicas que conseguem suportar um bom tempo energizando todo o circuito, fornecendo inclusive corrente suficiente para manter funcionando desde as lâmpadas até mesmo o microcontrolador, que monitora a presença da neblina e baixa umidade e deixa o sistema operando neste período.
Da mesma forma que o sensor indica a presença da neblina e baixa umidade, quando ela se dissipa ou se encerra, o sistema deixa de operar, ficando em stand by, deixando apenas funcionando seu microcontrolador que fica monitorando o ambiente, e as baterias ficam com menor consumo, podendo se carregar mais através de placas solares. Isto significa que o carregamento das baterias é feito durante um dia inteiro para ser usado no período noturno ou pela manhã, onde normalmente ocorre o aparecimento da neblina.
Sendo o projeto idealizado capaz de se manter em funcionamento por longos períodos ainda trazendo benefícios ao meio ambiente, uma vez que aproveita os recursos naturais disponíveis em abundancia para carregar suas baterias e manter-se em
funcionamento, além de auxiliar motoristas em situações de perigo por conta da neblina e chuva, que diminui muito o campo de visão, conforme podem ser vistos na Figura 1 numa estrada com forte neblina e Figura 2 com chuva intensa.
Figura 1: Baixa Visibilidade em Neblina
Fonte: Jornal Folha de São Paulo, 2013.
Figura 2: Baixa Visibilidade em Chuva
Fonte: Jornal Folha de São Paulo, 2013.
1.1 MOTIVAÇÃO
Muitos motoristas dirigem em estradas com bastante incidência de neblina e chuva, o que reduz muito a visibilidade e aumenta consideravelmente a possibilidade de acidentes, e criar meios capazes de auxiliar na visibilidade de pontos perigosos nestas estradas é muito desafiador.
Elaborar um projeto de sinalização para estradas e rodovias que seja funcional, seguro e viável para atender e auxiliar na sinalização e segurança de pessoas é fundamental para um crescimento profissional e preparação para o mercado de trabalho.
1.2 JUSTIFICATIVA
A solução de sinalização eletrônica para estradas e rodovias tem o foco voltado para a segurança de pessoas que trafegam por estradas com incidência de neblina e chuva, que são situações que geram riscos a vida, e a sinalização eletrônica agrega mais segurança aos usuários, tornando assim viável sua confecção e instalação em pontos críticos de rodovias.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Desenvolver um dispositivo eletrônico visando aplica-lo em sinalizações de trânsito, em locais onde as condições climáticas são desfavoráveis.
1.3.2 Objetivos Específicos
Para aprofundar nos estudos das sinalizações eletrônicas, será apresentada uma revisão sobre os componentes que serão utilizados no projeto, que são fundamentais para o perfeito funcionamento do sistema. Quais sejam:
Captação de energia solar com placas fotovoltaicas; Estudo de baterias recarregáveis;
Circuitos eletrônicos e seus componentes.
Informações sobre acidentes causados em decorrência de chuva e neblina.
Serão apresentados além de uma fundamentação teórica, a montagem e as simulações do circuito protótipo, o que permitirá a confecção e aplicação do sistema na prática.
1.4 METODOLOGIA DA PESQUISA
Trabalho de pesquisa utiliza o método dedutivo, seu objetivo de estudo foi exploratório, que tem como objetivo principal o aprimoramento de ideias.
O procedimento técnico adotado é de pesquisa bibliográfica, com material já elaborado, constituído principalmente de livros e artigos científicos; e experimental, determinando um objeto de estudo e analisando suas variáveis.
A abordagem utilizada é qualitativa, e pretende avaliar os resultados de um projeto que pode ser aplicado na prática.
1.5 ESTRUTURA DO TRABALHO
O Trabalho de Conclusão de Curso será dividido em alguns capítulos, que são demonstrados abaixo:
Capítulo I – Introdução
Capítulo para abordar o problema encontrado na prática e propor uma solução que possa ser usada para melhorar ou resolver o problema levantado, seus pontos fortes e sua área de aplicação.
Capítulo II – Revisões Bibliográficas das Ferramentas e Componentes do Projeto Capítulo para abordagem bibliográfica das ferramentas computacionais e de toda eletrônica usada para chegar ao sistema de sinalização proposto.
Capítulo III – Desenvolvimento do Projeto
Capítulo que mostrará todas as etapas realizadas para o desenvolvimento do projeto, detalhando passo a passo a confecção do software e montagem do hardware que fará a sinalização na rodovia quando ocorrem as condições de chuva e neblina.
Capítulo IV – Simulações, Resultados e Validação da Teoria
Capítulo que aborda as simulações práticas realizadas no circuito montado, mostrando o pleno funcionamento quando na ocorrência do surgimento de neblina no local de instalação da sinalização, validando o projeto.
Capítulo V – Discussões e Conclusões
Capítulo que abordará todas as considerações obtidas através do funcionamento do projeto, bem como proporá novas ideias para trabalhos futuros ou mesmo apontar falhas que podem ser melhoradas com outros estudos.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
O projeto de construção do sistema eletrônico de sinalização para situações de neblina utiliza uma série de componentes, além de uma ferramenta computacional que pode ser programada para controlar e manter todo o sistema em pleno funcionamento.
A fim de entender especificamente cada componente tido como fundamental para a aplicação, será abordado uma referência bibliográfica sobre eles, de forma a explicar sua aplicação, função e funcionamento no projeto.
2.1 ARDUINO
O Arduino é uma placa “open-source” com um único microcontrolador, descendente da plataforma “Wiring” também “open-source”, projetado para tornar o processo de utilização de eletrônica em projetos multidisciplinares mais acessíveis. Segundo Smitth, o hardware é composto por um processador AVR Atmel e suporte de entrada e saída on-board. O software consiste em um compilador de linguagem de programação padrão e o gerenciador de inicialização que é executado na própria placa.
O hardware do Arduino é programado usando uma linguagem baseada em Wiring (sintaxe e bibliotecas), semelhante ao C++ com algumas simplificações e modificações, e um processamento baseado em ambiente de desenvolvimento integrado.
As versões atuais podem ser compradas pré-montados, conforme Foto 1, e informações de projeto de hardware estão disponíveis para aqueles que desejam montar um Arduino por si próprio. O projeto Arduino recebeu uma menção honrosa na categoria de Comunidades Digitais no Prix Ars Electronica em 2006.
Foto 1: Placa do Arduino Uno R3
Fonte: Autores, 2013.
2.1.1 História
Em 2005, em Ivrea, Itália (local sede da empresa de computadores Olivetti), um projeto foi iniciado para criar um dispositivo para controlar outros projetos criados por estudantes, com um menor custo de outros sistemas de prototipagem disponíveis no momento. Segundo Site Oficial do Arduino, os fundadores Massimo Banzi e David Cuartielles deram o nome do projeto em homenagem a Arduin de Ivrea, um personagem importante na história da cidade. "Arduino" é também um nome masculino em Italiano, que significa "amigo corajoso".
O projeto Arduino é uma divisão da plataforma open-source Wiring. O programador colombiano Hernando Barragán criou Wiring como uma tese de seu mestrado no IDII – Interaction Design Institute Ivrea, sob a supervisão de Massimo Banzi e Casey Reas. Wiring foi baseado na linguagem Processing e em seu ambiente de desenvolvimento integrado, que tinha sido criado por Casey Reas e Ben Fry.
2.1.2 Hardware
Uma placa Arduino consiste de um microcontrolador de oito bits AVR Atmel com componentes complementares para facilitar a programação e incorporação em outros circuitos. Um aspecto importante do Arduino é a maneira padrão de como os conectores são expostos, permitindo que a placa possa ser conectada a uma variedade de módulos adicionais conhecidas como shields. Alguns desses shields se comunicam com a placa Arduino diretamente através dos pinos, mas muitos escudos são endereçáveis individualmente por um barramento serial I²C, permitindo que mais de um seja empilhado um em cima do outro e usados em paralelo. Arduinos genuínos usam a série de chips megaAVR, especificamente o ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 e ATmega2560. A maioria das placas inclui um regulador de 5 Volts linear e um oscilador de cristal de 16 MHz. O microcontrolador de um Arduino é pré-programado com um gerenciador de inicialização que simplifica o carregamento de programas para a memória flash. Placas Arduino são programadas via porta USB.
A placa Arduino possibilita o uso dos pinos do microcontrolador, tanto os de entrada com os de saídas, para outros circuitos. O Diecimila, Duemilanove, e o UNO (modelos do Arduino apresentado na Foto 2) atuais oferecem 14 entradas e saídas digitais, seis dos quais podem produzir sinais PWM, e outras seis entradas analógicas. Estes pinos estão no topo da placa, através de conectores fêmeas de 0,1 polegadas.
Foto 2: Hardware do Arduino Uno R3
2.1.3 Software
O IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado) do Arduino é uma aplicação multi-plataforma feito em Java, e é derivado do IDE para a linguagem de programação de processamento Wiring. Ele é projetado para introduzir a programação a novatos que não estão familiarizados com desenvolvimento de software, conforme visto na Figura 3. Ele inclui um editor de código com recursos como destaque de sintaxe, brace matching, e recuo automático, e também é capaz de compilar e carregar programas para a placa com um único clique.
Figura 3: Software de Programação do Arduino
Fonte: Autores, 2013.
O IDE do Arduino vem com uma biblioteca de C/C++ chamada "Wiring", o que facilita nas execuções de operações de entradas e saídas. Seus programas são escritos em C/C++, embora os usuários só precisem definir duas funções para fazer um programa executável:
Setup () – uma função que é executada no início para inicializar as configurações. Loop () – uma função chamada repetidamente logo após o setup (), e a mesma permanece executando até o Arduino ser desligado.
2.2 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS
As células fotovoltaicas, ou painéis solares como são comumente conhecidas, são placas de materiais semicondutores dopados com algum tipo de elemento para melhorar sua condutividade, e montadas em forma de um painel, permitindo que toda luz incidente sobre a placa seja convertida em corrente elétrica, conforme apresentado na Figura 4.
Figura 4: Painel Fotovoltaico
Fonte: Infoescola, 2013.
2.2.1 História da Célula Fotovoltaica
A conversão da energia solar em energia elétrica é realizada através do efeito fotovoltaico observado por Edmond Bequerel em 1839. Foi observada uma diferença de potencial nas extremidades de uma estrutura semicondutora, quando incidia uma luz sobre ela. Impulsionadas pelas novas descobertas da microeletrônica, em 1956 foram construídas as primeiras células fotovoltaicas industriais.
Segundo Cometta, o elevado custo na sua fabricação na época inviabilizava sua utilização prática a não ser em aplicações especiais, como sistema autônomo de fornecimento de energia elétrica para satélites. Neste caso o custo não era um fator limitante e as características de confiabilidade e de baixo peso, tornaram as células fotovoltaicas à maneira mais conveniente e segura de gerar eletricidade no espaço.
Em estações remotas de telecomunicações foram empregadas células fotovoltaicas para o fornecimento de energia elétrica, devido à comprovação das suas características e desempenho no espaço.
Outro agente impulsionador das pesquisas dessa tecnologia para aplicações diversas, inclusive para complementação do sistema elétrico existente, foi à crise do petróleo em 1973. A energia solar passou a atrair o interesse do governo, com a possibilidade real do esgotamento das reservas petrolíferas.
Mas o custo de produção das células era um fator preocupante em relação à quantidade de energia produzida por ela. Era preciso reduzir o custo significativamente. Por isso o desenvolvimento do mercado foi muito lento. Mas em 1978 a produção já chegava a 1 Mwp/ano (Mega Watt Pico - condição de máxima potência). Com o aumento da escala de produção e a pesquisa de tecnologia em materiais usados na fabricação das células o custo e o preço começaram a diminuir. Após quinze anos a produção já alcançava 60 Mwp/ano.
Na década de 90 marca o desenvolvimento acelerado da indústria fotovoltaica. Visando ampliar os horizontes para utilização em massa da energia solar como opção energética, inúmeros programas mundiais foram lançados para a demonstração da viabilidade técnica-comercial da energia solar fotovoltaica em projetos de eletrificação rural nos países em desenvolvimento.
Passada a crise do petróleo, muitas empresas petrolíferas deixaram o ramo do desenvolvimento de novas células. Mas outros fatores continuaram impulsionando a indústria: o fortalecimento do movimento de defesa do meio ambiente e o desenvolvimento do grande mercado da eletrificação rural principalmente nos países subdesenvolvidos. A produção mundial em 1998 era prevista em torno de 100 Mwp.
Para Acioli, hoje um dos maiores desafios que o setor enfrenta é a redução de custos dos sistemas fotovoltaicos. Com as novas tecnologias em desenvolvimento, principalmente a dos filmes finos, poderão provocar reduções significativas nos custos dos módulos fotovoltaicos. O desenvolvimento de modelos autossustentados de eletrificação rural com sistemas fotovoltaicos é o maior desafio. O baixo nível cultural e econômico da maior parte das populações limita o desenvolvimento do mercado.
Estimativas levam a crer que cerca de 30% da população mundial, algo como dois bilhões de pessoas, ainda viva em condições dependentes do carvão ou biomassa tradicional para cozinhar alimentos e usando velas, pilhas, querosene e diesel para geração de eletricidade.
A energia solar fotovoltaica tem como “vocação” a utilização em pequenas instalações (pequenas cargas) que a torna econômica, eficiente e segura. O Brasil dispõe de um dos maiores potenciais do mundo para o aproveitamento de energias renováveis principalmente a energia solar, e além de ecologicamente correto, é uma fonte inesgotável de energia.
2.2.2 Efeito Fotovoltaico
Células fotovoltaicas são fabricadas com material semicondutor, ou seja, material com características intermédias entre um condutor e um isolante.
O silício se apresenta normalmente como areia. Através de métodos adequados obtém-se o silício em forma pura. O cristal de silício puro não possui elétrons livres e, portanto é mau condutor elétrico. Para alterar isto se acrescentam porcentagens de outros elementos. Este processo denomina-se dopagem. A dopagem do silício com o fósforo obtém-se um material com elétrons livres ou materiais com portadores de carga negativa (silício tipo N).
Realizando o mesmo processo, mas agora acrescentado Boro ao invés de Fósforo, obtém-se um material com características inversas, ou seja, falta de elétrons ou material com cargas positivas livres (silício tipo P).
Cada célula solar compõe-se de camada fina de material tipo N e outra com maior espessura de material tipo P. Sua estrutura é apresentada na Figura 5.
Figura 5: Efeito Fotovoltaico
Separadamente, ambas as capas são eletricamente neutras. Mas ao serem unidas, na região P-N, forma-se um campo elétrico devido aos elétrons livres do silício tipo N que ocupam os vazios da estrutura do silício tipo P. Ao incidir luz sobre a célula fotovoltaica, os fótons chocam-se com outros elétrons da estrutura do silício fornecendo-lhes energia e transformando-os em condutores. Devido ao campo elétrico gerado pela junção P-N, os elétrons são orientados e fluem da camada “P” para a camada “N”.
Por meio de um condutor externo, ligando a camada negativa à positiva, gera-se um fluxo de elétrons (corrente elétrica). Enquanto a luz incidir na célula, manter-se-á este fluxo.
A intensidade da corrente elétrica gerada variará na mesma proporção conforme a intensidade da luz incidente.
Uma célula fotovoltaica não armazena energia elétrica. Apenas mantém um fluxo de elétrons estabelecidos num circuito elétrico enquanto houver incidência de luz sobre ela. Este fenômeno é denominado “Efeito fotovoltaico”, mostrado pela Figura 6.
Figura 6: Placa Captando Energia Solar
Fonte: Hemus,1978.
2.2.3 Estrutura de uma Célula Fotovoltaica
Ao contrário da maioria dos outros semicondutores, o dispositivo fotovoltaico não usa a estrutura normal do silício, como nos diodos, ao invés disso usa uma fina camada de
óxido transparente. Segundo Cometta, estes óxidos são altamente transparentes e tem alta condutividade elétrica. Camadas antirreflexos podem ser usadas para cobrir uma célula fotovoltaica. Os cristais policristalinos são grãos minúsculos de material semicondutor. As propriedades dos filmes policristalinos são diferentes do silício normal. Ele provou ser melhor para criar um campo elétrico entre dois materiais semicondutores diferentes, e a Figura 7 apresenta sua estrutura de montagem.
Figura 7: Estrutura da Célula Fotovoltaica
Fonte: Hemus,1978.
2.3 PILHAS E BATERIAS
Vamos acompanhar um dia comum de uma adolescente estudante. O dia começa, o despertador toca. O jovem se arruma e vai para a escola ouvindo seu MP3. O motorista dá a partida no ônibus, levando o adolescente a escola. No caminho, observa seu relógio digital. Quando chega ao seu destino, observa um computador e confere a hora dele com a de seu relógio. Na saída da escola, seu celular toca, seu pai veio buscá-lo de carro. Na volta para casa, uma boa conversa ao som do rádio do carro.
O que há em comum entre os dispositivos presentes no dia do adolescente? Qual a fonte de energia do despertador, do MP3, do motor de arranque do ônibus, do relógio digital, do computador, do celular, do rádio do carro?
As pilhas e baterias fazem parte do nosso dia-a-dia, convivemos com elas. Nesse texto, iremos entrar um pouco no mundo da química que fornece energia para as pilhas e
baterias alimentarem nossos dispositivos. Vamos, ainda, viajar pela história e ver como grandes nomes da ciência construíram, em conjunto e ao longo do tempo, as teorias e os experimentos que serviram de base para toda a tecnologia das pilhas e baterias que temos hoje, em diversos modelos e tipos de encapsulamento, onde a Figura 8 apresentado um modelo.
Figura 8: Bateria 12V
Fonte: Autores, 2013.
2.3.1 Energia Química
Com certeza, muitas pessoas já se perguntaram: como pode uma pilha gerar energia elétrica? A pilha é um depósito de energia elétrica?
Na verdade, segundo Atkins, pilha ou bateria é um sistema que, através de um fenômeno químico, realiza a transformação de energia química em energia elétrica, isto é, realiza uma reação química de oxidação-redução (oxirredução), na qual ocorre a movimentação de elétrons por um circuito elétrico externo.
Portanto, antes de tratarmos das pilhas e baterias, precisamos introduzir dois conceitos. O primeiro é o conceito de energia química, e o segundo, de reação de oxirredução.
Uma bateria, que é na verdade uma célula elétrica, é um componente que produz eletricidade a partir de uma reação química. Uma bateria consiste estritamente de uma ou mais células conectadas em série ou paralelo, mas o termo é geralmente usado para uma única célula. Uma célula consiste de um eletrodo negativo, um eletrólito, que conduz os íons; um separador, também condutor de íons; e um eletrodo positivo.
Podemos entender o conceito de energia química como a energia potencial resultante da configuração estrutural dos átomos ou moléculas, ou seja, a energia que está
armazenada nos átomos ou nas moléculas e que é modificada quando acontece uma reação química. Como consequência desse conceito, podemos estabelecer que ao modificarmos a configuração estrutural das substâncias químicas teremos uma alteração no conteúdo energético das novas substâncias formadas.
Importante ressaltar que a energia química pode ser transformada em diversos outros tipos de energia: térmica, luminosa e elétrica.
Para nossa abordagem, vamos focar na transformação da energia química em energia elétrica. Portanto, devemos considerar que pilhas e baterias são dispositivos com capacidade de armazenar energia química, que será transformada em energia elétrica.
A pergunta que nos ocorre agora é: como é realizada essa transformação de energia química em energia elétrica? Para responder a essa pergunta devemos recorrer ao segundo conceito, que trata de reação de oxirredução.
As reações de oxirredução estão presentes em toda parte: quando você respira, quando as plantas realizam fotossíntese, quando uma chama queima, quando um metal enferruja e em muitas outras situações. As reações de oxirredução englobam uma classe de reações químicas nas quais ocorre transferência de elétrons de uma espécie para a outra. Assim, em uma reação de oxirredução sempre ocorre perda de elétrons por uma espécie e, simultaneamente, ganho de elétrons por outra. É um fluxo de elétrons. Uma corrente elétrica! Nos processos de respiração, combustão, corrosão e outros, essa corrente elétrica flui internamente. Ao contrário, nas pilhas e baterias é criado um caminho externo para a passagem da corrente elétrica no qual podemos conectar, por exemplo, aparelhos eletroeletrônicos.
Os fenômenos envolvidos são identificados da seguinte forma: a espécie que perde elétrons sofre oxidação e aquela que ganha elétrons sofre redução.
2.3.2 Pilhas, Baterias e a Linguagem
A origem da palavra bateria é anterior à invenção da pilha de Volta. Quem introduziu o termo nos estudos de eletricidade foi Benjamin Franklin, em 1748, referindo-se a uma série de capacitores conectados formando uma bateria (no sentido de conjunto).
O termo bateria foi extrapolado para a eletroquímica e é usado hoje para identificar células voltaicas interconectadas, como a bateria de automóvel e a bateria de 9V.
O termo pilha, segundo Moore, é normalmente usado para dispositivos que contenham apenas uma célula voltaica como, por exemplo, as pilhas secas.
As pilhas e baterias são classificadas em primárias e secundárias. As primárias são aquelas que não podem ser recarregadas, como as pilhas “comuns” e alcalinas. Já as secundárias são as que podem ser recarregadas, por exemplo, as baterias de carro e de celular.
2.3.3 Linha do Tempo das Pilhas e Baterias
As pilhas e baterias foram sendo desenvolvidas ao longo do tempo com a contribuição de diversos cientistas. Somente a partir da descoberta de Volta, de que dois metais diferentes ligados eletricamente por uma solução eletrolítica serviam como fonte de tensão, que se começou a buscar pelos melhores eletrodos que tornavam as pilhas e baterias mais eficientes e práticas.
A pilha de Alessandro Volta (1800) consiste em metais de dois tipos separados por panos umedecidos em sal ou ácido fraco. Os discos de metal ficavam empilhados, por isso o nome pilha. Os primeiros metais usados por Volta foram à prata e o zinco.
A voltagem fornecida pela pilha de Volta, conforme Figura 9, depende do número de elementos na pilha.
Figura 9: Pilha de Volta
A pilha de Daniell (John Frederic Daniell – 1836), representou um grande avanço tecnológico para a época, em relação à pilha de Volta. Ela foi desenvolvida por Daniell baseada nos princípios científicos da Eletroquímica introduzidos por Michael Faraday. Daniell descobriu que a pilha seria mais eficiente se fossem usados dois eletrólitos ao invés de um só, como na pilha de Volta. Em geral, os eletrodos são compostos por um metal imerso em uma solução de seus próprios íons. A pilha de Daniell (de zinco e cobre) fornece uma voltagem de aproximadamente 1,1V.
A pilha de Grove (William Robert Grove, 1839) competia com a de Daniell na telegrafia. Os eletrodos escolhidos por Grove, zinco em ácido sulfúrico e platina em ácido nítrico, faziam com que a pilha fornecesse uma voltagem de 1,9V (maior do que a de Daniell). Entretanto, um dos produtos da reação química que acontece durante o funcionamento da pilha de Grove é o dióxido de nitrogênio gasoso (NO2), nocivo à saúde.
Além disso, a voltagem caía sensivelmente à medida que a pilha descarregava.
No mesmo ano em que inventou a sua pilha de zinco e platina, William Grove desenvolve a primeira célula de combustível que é considerada hoje por muitos a fonte de energia do futuro. Nas pilhas comuns, quando os reagentes terminam, a pilha para de funcionar.
Nas células de combustível, os reagentes são fornecidos à pilha como se fossem os “combustíveis” da reação (em analogia aos combustíveis dos automóveis, só que, nesse caso, não ocorre reação de combustão). Enquanto houver combustível, haverá energia. A célula de combustível de Grove utiliza o hidrogênio e o oxigênio como combustível e o
produto da reação é água (H2O). A célula de Grove não fornece voltagem suficiente para
utilização prática.
Em 1859, Gaston Planté criou a Bateria de chumbo-ácido. Foi a primeira bateria recarregável da história. Seu uso inicial foi em sinalizações ferroviárias, e hoje é largamente
usado em automóveis. Essa bateria utiliza o chumbo (Pb) e dióxido de chumbo (PbSO4)
imersos em uma solução de ácido sulfúrico (H2SO4). Repare que uma substância composta é
usada em um dos eletrodos. Cada célula da bateria gera 2V.
A pilha Leclanché (Georges Leclanché, 1866), utiliza o zinco (Zn) e dióxido de manganês (MnO2). A voltagem em seus terminais varia de 1,4 a 1,6 volts.
Ela foi a precursora da pilha seca desenvolvida por Carl Gassner, em 1887. A pilha seca é a nossa atual pilha comum e possui esse nome porque não utiliza eletrólito líquido. Se você já viu uma pilha por dentro, notou que ela possui uma gosma preta. Nela
está, entre outras substâncias, o dióxido de manganês. As pilhas secas comuns fornecem uma voltagem de 1,5V.
A pilha de níquel cádmio, de Waldmar Jungner em 1899, foi à primeira pilha alcalina da História. Jungner utilizou um meio alcalino (hidróxido de potássio - KOH) no qual ficavam os eletrodos constituídos de níquel e cádmio. A pilha de Jungner é à base das primeiras pilhas recarregáveis portáteis. Hoje são mais comuns pilhas semelhantes de níquel-metal (NiMH), que possuem maior capacidade e são menos tóxicas. Essas pilhas fornecem uma voltagem de 1,2V.
Em 1955, a empresa Eveready desenvolveu as pilhas alcalinas não recarregáveis que utilizamos até hoje.
Nas décadas de 1970 e 1990, nasceram as pilhas de lítio e íons de lítio. As primeiras pesquisas utilizando metal lítio nos eletrodos de pilhas foram realizadas em 1912 por G.N. Lewis. Entretanto, somente em 1970 elas foram comercializadas. As pilhas de lítio (não recarregáveis) são largamente utilizadas em relógios, computadores e outros dispositivos. A voltagem típica dessa pilha é de 3V, o dobro das pilhas secas comuns.
As células de combustível modernas (bateria do futuro) fornecem energia elétrica suficiente para várias aplicações. Já existem hoje protótipos de automóveis alimentados por elas e a NASA as usa em suas naves espaciais. Apesar de ser tecnicamente possível o uso de outros “combustíveis”, o mais largamente usado é o hidrogênio e o oxigênio, por produzirem como resíduo a água - inofensiva para o meio ambiente. Em seu ciclo de funcionamento, o hidrogênio gasoso (normalmente fornecido através de um tanque) entra na célula e é ionizado com auxílio de um catalisador. O íon hidrogênio segue seu caminho por dentro da célula, enquanto seu elétron é conduzido ao circuito externo, produzindo corrente elétrica. Após circular pelo circuito externo, os elétrons retornam à célula e, juntamente com o oxigênio gasoso (normalmente obtido do ar), formam água.
Os ambientalistas questionam a eficiência ecológica de um uso maciço de células de combustível a hidrogênio já que, para a produção do hidrogênio gás, é consumida uma energia que provavelmente virá de fontes não limpas.
2.4 COMPONENTES ELETRÔNICOS
Numa definição mais abrangente para Diaz, eletrônica é o ramo da ciência que estuda o uso de circuitos formados por componentes elétricos e eletrônicos, com o objetivo principal de representar, armazenar, transmitir ou processar informações além do controle de processos e servomecanismos. Sob esta ótica, também se pode afirmar que os circuitos internos dos computadores (que armazenam e processam informações), os sistemas de telecomunicações (que transmitem informações), os diversos tipos de sensores e transdutores (que representam grandezas físicas - informações - sob forma de sinais elétricos) estão, todos, dentro da área de interesse da Eletrônica.
Baseado nesta definição, os mais variados tipos e modelos de componentes eletrônicos a disposição no mercado, onde exemplos são apresentados na Figura 10, são usados por projetistas na elaboração de circuitos eletrônicos, que permitem obter os resultados esperados conforme projeto.
Figura 10: Alguns Exemplos de Componentes Eletrônicos
Fonte: Autores, 2013.
2.4.1 LED – Light Emitting Diode
O LED (que significa “Light Emitting Diode” – diodo emissor de luz) é um semicondutor que quando submetido à energia elétrica, emite radiação sob a forma de luz, muito usado em inúmeros equipamentos eletrônicos atuais. Hoje, o LED é muito aplicado em automóveis, destacando o veículo e proporcionando melhor luminosidade com baixo
consumo de energia, sendo uma das formas mais comuns de encapsulamento apresentada na Figura 11. Também é utilizado em Painéis de Led. Estes aparelhos são aplicados para cenografia, shows, feiras e eventos, exibição de propagandas (principalmente por meio de Painel de Led Outdoor), estúdios de TV, e muitas outras ocasiões.
Figura 11: LED - Diodo Emissor de Luz
Fonte: Wikipédia, 2013.
2.4.1.1 História do LED
O Led é propriamente dito um Diodo Emissor de Luz, uma espécie de componente eletrônico semicondutor que tem a capacidade de transformar energia elétrica em luz. Já as lâmpadas comuns utilizam radiação ultravioleta com descarga de gases, como no caso das lâmpadas fluorescentes, ou filamentos metálicos, aplicados em lâmpadas incandescentes.
O princípio LED, segundo Rashid, não foi uma invenção recente, e foi desenvolvido ainda que em fase experimental e rudimentar no ano de 1963 por Nick Holonyac. Seu funcionamento era apenas pela luz vermelha e com baixa luminosidade. Em 1960 obteve o LED amarelo e apenas em 1975 que surgiu a luz verde. Isso representa que o LED de hoje é muito mais avançado, mas a descoberta de Holonyac foi o processo inicial para a invenção da tecnologia LED.
Mas foi no início dos anos 90 que houve a verdadeira revolução do LED e a possibilidade de aplicá-lo no setor automotivo, por exemplo. Com o surgimento da tecnologia INGan, foi possível obter-se LED’s com comprimento de ondas menores, nas cores azul,
verde e ciano, tecnologia esta que propiciou a obtenção do LED branco, e consequentemente, todos os espectros de cores.
Mas foi com o surgimento da tecnologia Luxeon que foi possível ter fluxo luminoso de 30 lumens e com um ângulo de emissão de 110 graus, e não mais as antigas ondas de intensidades, conseguindo assim maior rendimento e avanço tecnológico no assunto.
2.4.1.2 Aplicação do LED
Por muitos anos a tecnologia LED foi utilizada como sinais de indicação de estado para aparelhos eletrônicos, como rádio, televisão e outros aparelhos. É a típica luz vermelha que indica quando o aparelho se encontra ligado ou desligado.
Hoje, o LED é muito aplicado em automóveis, destacando o veículo e proporcionando melhor luminosidade com baixo consumo de energia. Também é utilizado em Painéis de Led. Estes aparelhos são aplicados para cenografia, shows, feiras e eventos, exibição de propagandas (principalmente por meio de Painel de Led Outdoor), estúdios de TV, e muitas outras ocasiões.
O Painel de Led é formado por placas compostas por pequenas lâmpadas de luzes RGB (Red, Green, Blue), em português correspondem às cores vermelha, verde e azul, formando assim os pixels, responsáveis pela composição das imagens.
Além do Painel de Led, essa tecnologia está sendo aproveitada até em semáforos e postes de rua devido a sua alta luminosidade, destaque de ambientes e baixo consumo de energia.
Sua utilização em diversas áreas é resultado de sua eficiência e economia. Uma lâmpada LED, conforme modelo comum de mercado apresentada na Figura 12, possui vida útil variável entre 50 a 100 mil horas, e devido a sua longa vida útil, os custos por manutenção também são reduzidos. Além disso, é mais resistente a impactos, porque não utiliza filamentos metálicos ou compostos gasosos. Mesmo sem uso de filtros, as lâmpadas de LED emitem ondas monocromáticas em comprimentos ideais, proporcionando cores mais saturadas e vivas, e para o meio ambiente, o LED é melhor que qualquer outra solução, pois não possui mercúrio ou qualquer outro tipo de metal pesado que prejudique diretamente o meio ambiente.
Figura 12: Lâmpada de LED
Fonte: Autores, 2013.
2.4.2 Resistor
Os resistores são componentes básicos usados nos circuitos elétricos e eletrônicos para controlar a intensidade de corrente que passa pelos diversos componentes bem com controlar a tensão aplicada em cada parte do circuito.
O funcionamento dos resistores está baseado na resistência elétrica que todos os materiais, com exceção dos supercondutores, possuem de dificultarem a passagem da corrente elétrica. Segundo Villaça e Rangel, quando um resistor é percorrido por uma corrente elétrica, ele tende a aquecer por causa do efeito Joule. A potência dissipada pelo resistor é igual ao produto da intensidade da corrente pela tensão aplicada no resistor, portanto, resistores de baixa resistência permitem a passagem de correntes grandes e, portanto, são eles quem mais dissipam calor. Para evitar o aquecimento excessivo dos resistores eles devem ter tamanhos os apropriados, quanto maior o resistor, mais superfície exposta ele possui, isso significa que ele pode irradiar melhor o calor para o meio ambiente. Existem resistores pirolíticos de diferentes tamanhos, 1W, ½W, ¼W, conforme a aplicação que terão. A identificação do valor de resistência dos resistores é feita por um código de 4 ou mais faixas de cores, onde sua tabela de identificação de valor e especificações de potência e tolerância é apresentada na Figura 13. Para resistores de até 4 faixas, as duas primeiras faixas informam uma medida de resistência, a terceira faixa informa a potência de dez que multiplica esta medida.
Figura 13: Tabela de Código de Cores do Resistor
Fonte: Wikipédia, 2013.
Quanto aos processos de fabricação os resistores podem ser classificados em resistores de película de carvão, resistores bobinados e resistores de fita metálica. Alguns modelos são apresentados na Figura 14.
Figura 14: Modelo de Resistor Fixo
Fonte: Eletrônica Didática, 2013.
Existe um grupo especial de resistores que são muito sensíveis a fatores externos, são os resistores termo sensíveis NTC (Coeficiente térmico negativo) e PTC (Coeficiente
térmico positivo), os resistores sensíveis à tensão, VDR (resistor dependente de voltagem) e os resistores sensíveis à luz, LDR (Resistor dependente da luz).
Os resistores fazem parte de um circuito elétrico e incorporados dentro de dispositivos microeletrônicos ou semicondutores. A medição crítica de um resistor é a resistência, que serve como relação de voltagem para corrente é medida em Ohms, uma unidade SI. Um componente tem uma resistência de 1 ohm se uma voltagem de 1 volt no componente fazer com que percorra, pelo mesmo, uma corrente de 1 Ampère, o que é equivalente à circulação de 1 coulomb de carga elétrica, aproximadamente 6.241506 x 1018 elétrons por segundo. Qualquer objeto físico, de qualquer material é um tipo de resistor. A maioria dos metais são materiais condutores, e opõe baixa resistência ao fluxo de corrente elétrica. O corpo humano, um pedaço de plástico, ou mesmo o vácuo têm uma resistência que pode ser mensurada.
Materiais que possuem resistência muito alta são chamados isolantes ou isoladores. A relação entre tensão, corrente e resistência, através de um objeto é dada por uma simples equação, Lei de Ohm (V=R.I), Onde V é a tensão em Volts, I é a corrente que circula através de um objeto em Ampères, e R é a resistência em Ohms. Se V e I tiverem uma relação linear, isto é, R é constante, ao longo de uma gama de valores, o material do objeto é chamado de Ôhmico.
2.4.3 Sensores
Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Porém, os sensores são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal. Um transdutor por sua vez é um dispositivo que converte um tipo de energia em outra não necessariamente em um sinal elétrico. Muitas vezes um sensor é composto de um transdutor e uma parte que converte a energia resultante em um sinal elétrico. Podem ser de indicação direta (como um termômetro de mercúrio ou um medidor elétrico) ou em par com um indicador (algumas vezes indiretamente com um conversor de analógico para digital, um computador e um display) de modo que o valor detectado se torne legível pelo homem. Além de outras aplicações, os sensores são largamente usados na medicina, indústria e robótica.
Como o sinal é uma forma de energia, para Diaz, os sensores podem ser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam.
O sensor é apenas a parte sensitiva de um transdutor (que é um sistema completo que produz um sinal elétrico de saída que representa a grandeza física sendo medida), que se completa em muitos casos com um circuito eletrônico para a geração desse sinal elétrico que depende do nível de energia da grandeza física que afeta o dispositivo sensitivo.
Existem grandezas físicas que podem tomar qualquer valor ao longo do tempo: são as chamadas grandezas físicas analógicas, por exemplo, pressão, temperatura, umidade, vazão, força, ângulo, velocidade, luminosidade, altitude, torque, entre muitas outras. Porém, embora estritamente falando não se trate propriamente de grandezas físicas, existem outras variáveis ou características num sistema que, ao longo do tempo, só podem tomar dois valores possíveis, os quais são denominados arbitrariamente como 0 e 1, essas variáveis são chamadas de grandezas físicas digitais.
Os sensores medem uma grandeza física e entregam um sinal elétrico como saída. Se esse sinal puder tomar qualquer valor dentro de certos limites ao longo do tempo, esse sensor é chamado de analógico. Se esse sinal elétrico só puder tomar dois valores ao longo do tempo, sejam estes sinais de qualquer amplitude, o sensor é chamado de digital.
Se o sensor for analógico e o controlador destinado a receber esses sinais for digital, será necessária a presença de um conversor A/D. Se o sensor for digital é possível entregar o sinal diretamente ou através de um circuito condicionador, numa interface de entrada digital.
Observa-se que não foi definido sensor analógico como aquele que mede grandezas físicas analógicas, e nem o sensor digital como aquele que mede grandezas físicas digitais. É possível medir grandezas físicas analógicas com sensores digitais.
2.4.3.1 Características dos Sensores
2.4.3.1.1 Faixa
Define-se como faixa ou range (do inglês) a todos os níveis de amplitude da grandeza física medida nos quais se supõe que o sensor pode operar dentro da precisão especificada. Assim, por exemplo, um sensor de pressão pode ser fabricado para operar de 60 mmHg até 300 mmHg.
2.4.3.1.2 Resolução
Define-se como resolução o menor incremento da grandeza física medida que provoca uma mudança no sinal de saída do sensor. Por exemplo, no caso dos sensores digitais, a resolução vai estar dada pelo menor incremento na grandeza física medida que provoca uma mudança de um bit na leitura de saída do sensor digital.
2.4.3.1.3 Sensibilidade
A sensibilidade é a transferência do sensor, quer dizer, a relação entre o sinal elétrico entregue na saída e a grandeza física medida. Por exemplo, um sensor de pressão poderia ter uma sensibilidade de 3 mV/mmHg, o qual significa que por cada mmHg que mude a pressão medida, o sinal elétrico entregue na saída mudará 3 mV.
2.4.3.1.4 Linearidade
Dado um determinado sensor, para variações iguais da grandeza física medida obtém-se variações iguais do sinal entregue, então se define o sensor como linear, caso contrário, se define como não linear.
Evidentemente, o caso ideal é que o sensor seja linear, mas, caso o sensor seja não linear, uma forma de determinar quão grave é essa não linearidade é medir o máximo erro do sinal de saída dividido pela faixa de valores possíveis. Essa relação pode ser expressa em termos percentuais e define-se como linearidade.
2.4.3.1.5 Histerese
O fenômeno da histerese pode ser explicado da seguinte maneira: se o estímulo de entrada, que excita o sensor, crescer até um determinado valor u1, o sensor entregará um determinado sinal de saída y1. Mas se o estímulo começar num valor mais elevado e decrescer até o mesmo valor anterior u1, o sinal fornecido poderá ter um valor y2, diferente daquele entregue anteriormente, y1. Nesse caso, se diz que há uma histerese.
Por exemplo, se o sensor tiver um dispositivo sensitivo magnético, o qual já tem uma histerese magnética. Outro exemplo poderia ser o caso de sensores que tiverem engrenagens com folga entre os dentes ou backlash. Também pode se dar em circuitos de controle com dispositivo sensitivo, ou em circuitos condicionadores de sinal composto por Smith-trigger.
2.4.3.1.6 Exatidão ou Erro
Dada uma determinada grandeza física a ser medida, exatidão é a diferença absoluta entre o valor real do sinal de saída entregue pelo sensor e o sinal ideal que este
deveria fornecer para esse valor da grandeza física. Este erro poderia se representar em termos percentuais dividindo essa diferença pela faixa.
2.4.3.1.7 Relação Sinal/Ruído
É a relação entre a potência de um sinal qualquer entregue na saída do instrumento e a potência do sinal do ruído, medida como o sinal de saída com informação de nula. Isto é, se a amplitude da grandeza física medida for igual a zero, e o sensor entregar um sinal de uma amplitude determinada, esse sinal é considerado como ruído. Esta relação pode ser expressa também em termos percentuais ou em dB (Decibéis).
2.4.3.1.8 Resposta em Frequência
Sistema eletrônico que manuseia sinais elétricos tem suas limitações em frequência, isto é, sinais em determinadas frequências são reproduzidos e em outras não. Se a grandeza física medida variar sua amplitude com uma determinada frequência, é possível que o sinal elétrico entregue pelo sensor reproduza essas mudanças com a amplitude adequada, mas se a frequência dessas mudanças na grandeza física aumentar, é possível que o sinal de saída entregue pelo sensor diminua sua amplitude em função da frequência dessas mudanças. Define-se a resposta em frequência de um sensor como a faixa do espectro que este consegue reproduzir.
Pela teoria de bode, define-se a faixa de passagem, ou largura da faixa, como o intervalo de frequências em que, para uma determinada amplitude de entrada, a potência do menor sinal de saída é maior ou igual à metade da potência do maior sinal.
2.4.3.2 Sensor de Umidade e Temperatura DHT11
O sensor DHT11 é um sensor de temperatura e umidade específico para a ferramenta Arduino, que permite medir temperaturas de 0 a 50º Celsius, e umidade na faixa de 20 a 90 %.
Não é um sensor extremamente rápido e preciso, por isso não é recomendada a utilização em ambientes de alto risco. Sua faixa de precisão para temperatura é de 2 graus, e de umidade, 5%. Seu modelo é apresentado conforme Figura 15.
Figura 15: Sensor DHT11
Fonte: Arduino & Cia, 2013.
Por se tratar de um modelo de sensor para Arduino, não basta sua conexão física a ferramenta para ser reconhecido quando usado a linguagem C para programação. Na programação do código fonte, é necessário declarar uma biblioteca específica, que possui as rotinas padronizadas da linguagem de programação, e contem operações comuns como tratamento de entrada/saída e cadeia de caracteres, usadas pelo sensor para se comunicar com a placa.
2.5 ACIDENTES PROVOCADOS POR NEBLINA E CHUVA
A neblina e a chuva são problemas grave à segurança das pessoas que trafegam pelas rodovias durante sua incidência. Afeta diretamente a visibilidade dos condutores, que muitas vezes se atrapalham e ocasionam colisões, traseiras e frontais. Esse tipo de acidente
costuma acontecer com mais frequência em determinadas épocas do ano, como inverno onde as temperaturas são mais baixas, e em diversos pontos de uma rodovia, aumentando significativamente as estatísticas de acidentes quando ocorrem.
Estatísticas mostram que em dias ou semanas de maior incidência de neblina, a quantidade de acidentes provocados pela baixa visibilidade aumenta significativamente, que normalmente são engavetamentos envolvendo dois ou mais veículos. Mesmo que ocorram em geral poucas mortes nestes acidentes, a quantidade de pessoas feridas é muito grande, e algumas vezes lesões graves e irreversíveis.
A Polícia Rodoviária Federal relata que muitos dos acidentes causados em condições adversas também são resultados de imprudência, onde condutores se arriscam ou confiam demais nas condições da pista ou de seu veículo, ignorando as condições do tempo. Quando isso ocorre, aumentam as chances de início de acidentes graves.
Em lugares de maior incidência destes fenômenos causados por baixa na temperatura, como neblina ou nevoeiro, são realizados operações por parte da polícia local em Federal, em busca de prevenção aos acidentes.
O maior engavetamento ocorrido no Brasil ocorreu na rodovia dos Imigrantes, São Paulo, ocorrido no ano de 2011. O acidente ocorreu em decorrência da forte neblina na localidade, por volta das 13 horas da tarde. A visibilidade estava muito comprometida pela forte neblina e diversos caminhões, carros e até motos se envolveram num megaengavetamento envolvendo cerca de 300 veículos, conforme visto na Figura 16. Neste acidente uma pessoa perdeu a vida e mais de 50 ficaram feridas. Pelo menos 220 veículos tiveram danos graves, e apenas 80 tiveram pequenos danos ou arranhões em decorrência do acidente.
Figura 16: Engavetamento de Veículos na Rodovia Imigrantes/SP
Outros acidentes também causados por neblina ocorreram no Brasil, alguns com grandes proporções e outros nem tanto. Porém, estes acidentes causam mortes, lesões sérias em pessoas, danos materiais e outros problemas. Quando ocorrem em rodovias, interditam acessos, trazem a necessidade de deslocamento de grande efetivo de socorristas, entre outros aspectos negativos. Independente do número de baixas serem pequenos, sempre há perdas de vidas, e são acidentes que ocorrem com frequência, relatados em muitos meios de comunicação no Brasil.
3 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
Para alcançar a totalidade da construção do modelo protótipo em pequena escala, foi necessário conhecer a interface lógica e o hardware do microcontrolador Arduino, juntamente com um dos inúmeros acessórios desta ferramenta, o sensor de umidade e temperatura DHT11. Para fornecer energia a todo sistema e mantê-lo carregado foi necessário escolher um tipo de bateria e estabelecer um painel fotovoltaico capaz de carregá-lo, e posteriormente elaborar o circuito da iluminação composto por LED’s para a sinalização, controlado pelo Arduino. Por fim, programar o código em C responsável pelo monitoramento e a lógica da execução, mantendo em pleno funcionamento todo o projeto.
3.1 ARDUINO SOFTWARE
O Arduino possui um software com a interface lógica para colocar em prática diversas funções e que podem ser facilmente acessadas realizando o download deste aplicativo na própria página do Arduino (www.arduino.cc). A comunicação entre o software e a placa do Arduino Uno R3 é realizada pela conexão USB/SERIAL, entre o microcontrolador e o computador utilizado, possibilitando a programação software, compilação e transferência da função responsável pelo funcionamento do protótipo para a placa do Arduino.
3.2 ARDUINO HARDWARE
Analisando o hardware do Arduino Uno R3, escolhido para aplicação por suportar as necessidades de portas disponíveis para o projeto, se encontra a disposição quatorze entradas/saídas digitais, que no projeto serão responsáveis por receber informações do sensor de umidade e temperatura DHT11, e do sensor de tensão, o que possibilita gerar informações
que são constantemente monitoradas pelo microcontrolador, gerando os comandos de acionamento nas portas usadas como saídas para o acendimento dos LED’s do circuito. Como o Arduino possui portas analógicas e o projeto usará apenas as digitais, foi possível configurar as seis entradas/saídas analógicas disponíveis de maneira a responderem de +VCC a 0 (zero), e desta maneira se comportar como uma saída digital, com nível alto ou baixo. Esta ação possibilita o aumento de portas de I/O na placa do Arduino.
3.3 ALIMENTAÇÃO DO SISTEMA
A opção de alimentação do sistema por painéis solares (placas fotovoltaicas) trouxe a necessidade de inserir uma bateria no sistema, garantindo assim que no período sem a presença de luz solar, o sistema se mantenha em operação, e no período que a luz possa fornecer energia, que passe a carregar a bateria. Além de manter a bateria com carga suficiente para os períodos sem a luz, evita oscilações ou picos de tensão na alimentação do microcontrolador, o que pode resultar em travamento ou queima do componente.
Uma vez que o Arduino Uno R3 trabalha com algumas faixas de tensão, é possível trabalhar com uma tensão que seja mais fácil de encontrar baterias e painéis solares para alimentar o sistema. A escolha foi a partir da tensão da bateria, de 12 VDC. Sendo assim, todo o sistema será alimentado com 12 VDC e a carga também será feita por painéis solares nesta mesma tensão, mas com uma corrente mais baixa que permita a carga mais lenta da bateria, garantindo uma maior vida útil dela.
Desta maneira o Arduino sempre receberá 12 VDC da bateria, enquanto as placas solares estarão gerando 12 VDC para carga enquanto ocorrer captação de luz, uma vez que num dia claro e que não tenha sol intenso também ocorre, em menor intensidade, a geração de energia, e consequentemente a carga da bateria.
A ligação entre Bateria e Painel Solar é realizada com uma simples ligação em paralelo, entre o polo positivo da bateria e painel, e polo negativo da bateria e painel. Tais ligações foram realizadas com cabos de alta condutividade e com o menor comprimento possível, buscando aperfeiçoar a eficiência energética.
3.4 SENSOR DHT11 PARA ARDUINO
O Arduino possui inúmeros acessórios com diversas funções, e de fácil integração com a placa.
Para o projeto em questão, foi necessário pesquisar um sensor que capaz de identificar e informar ao microcontrolador variações em temperatura e umidade. Desta forma foi possível encontrar um sensor simples que agregava todas as funções em um único componentes, que pode ser integrado ao Arduino, o sensor DHT11.
Para melhor compreensão de todas as funções do sensor, bem como suas faixas de operação, tensão de alimentação, polaridade e outras informações para sua utilização no projeto, o datasheet do componente é de fundamental importância. Este documento contempla todos os dados importantes do componente, uma ficha completa sobre todas as suas características, das quais algumas são fundamentais para sua aplicação no projeto.
Após a leitura e analise do datasheet do sensor DHT11, se verificou que a ligação do componente com o Arduino é realizada utilizando apenas uma saída VCC e GND para a alimentação, e apenas uma das portas digitais disponíveis, que ficará reservada e dedicada, sendo responsável pela comunicação com o microcontrolador. É através desta porta que todas as variações nas leituras de temperatura e umidade são informadas ao microcontrolador do Arduino.
3.5 SINALIZAÇÃO
No sistema de sinalização, para a montagem de um protótipo que realizasse a atividade do projeto, LED’s simples de 5 mm foram conectados as portas de saídas do Arduino. Uma vez que o sistema identifica uma variação que atinja os parâmetros de ativação, o microcontrolador fica comutando as portas de saídas por pequenas frações de segundos, numa sequência única que forma um traçado para ser visualizado.
A energia para alimentação dos LED’s é oriunda da porta do Arduino que é usada como saída digital, que quando habilitada fornece 5VDC para alimentação do sistema de LED’s, que contam com resistores para ajudar a limitar a corrente passante no circuito.
3.6 CÓDIGO EM C
Com todas as análises de hardware realizadas, outra parte importante para o funcionamento do projeto é a programação da função que será executada pelo microcontrolador do Arduino.
Esta programação aceita diversas linguagens computacionais, e por questões de simplicidade no código fonte, uma das mais conhecidas e que foi aplicada é a linguagem C.
Para escrever o código fonte na linguagem C, é necessário adicionar alguns códigos e tarefas importantes usadas pela própria ferramenta, para que o código possa ser executado de maneira correta. As operações seguem uma sequência, que é inclusão de biblioteca, atribuição de variável por porta na interface física, instanciar a biblioteca, estabelecer função da interface física, criação de função em laço, declaração das variáveis, inserção da função lógica e acionamentos das portas de saída que habilitarão os LED’s, usados para indicação luminosa do dispositivo.
3.6.1 Inclusão de Biblioteca
O funcionamento do escopo depende da leitura do sensor DTH11, que é uma peça fundamental do sistema. Como o sensor é um periférico do Arduino, sua conexão física é muito simples, feita pelo par de fios de alimentação e por um pino de sinal numa das portas de entrada e saída digital que ficará reservada para esta aplicação.
Porém, para que o sensor seja reconhecido e suas informações compreendidas pelo microcontrolador, o código fonte precisa da inclusão de uma biblioteca específica, que possui as rotinas padronizadas da linguagem de programação C, e contem operações comuns como tratamento de entrada/saída e cadeia de caracteres, usadas pelo sensor para se comunicar com a placa.
A biblioteca específica que tem esta capacidade é a idDHT11.h, e pode ser atribuída no código fonte pela linha de comando #include <idDHT11.h>, já no início do código fonte, de forma a garantir seu funcionamento.
3.6.2 Atribuição de Variável por Porta na Interface Física
Na descrição do código fonte é necessário atribuir em quais portas de entrada e saída os sinais serão lidos para trazer alguma informação ou enviados para alguma ação.
O Arduino Uno R3 possui quatorze portas de entrada/saída e destas portas foram reservadas dez para saída de acionamento dos LED’s que farão o sequenciamento para direcionamento do formato da curva e uma para leitura do sensor que traz as informações climáticas.
No protótipo, as portas três a doze foram atribuídas como saída, para os LED’s, e a porta dois designada para a comunicação com o sensor. Estas atribuições são escritas no próprio código fonte, em linguagem C, usando as linhas de comando descritas a seguir:
int idDHT11pin = 2; int idDHT11intNumber = 0; int led1 = 3; int led2 = 4; int led3 = 5; int led4 = 6; int led5 = 7; int led6 = 8; int led7 = 9; int led8 = 10; int led9 = 11; int led10 = 12; 3.6.3 Instanciar a Biblioteca
Por se tratar de uma biblioteca específica do sensor DHT11, é exigido que a criação de um invólucro para a chamada da função.
Instanciar é o processo de criar a estrutura lógica dos mesmos na memória. Isto ocorre quando declaramos os objetos, pois neste momento todo o processo de construção dos
mesmos é efetivado. Assim, toda vez que declaramos um objeto estamos instanciando-o, ou seja, estamos criando uma instância da classe.
A instanciação é feita também no código fonte, de acordo com os comandos: void dht11_wrapper(); idDHT11 DHT11(idDHT11pin,idDHT11intNumber,dht11_wrapper); void dht11_wrapper() { DHT11.isrCallback(); }
3.6.4 Estabelecer Função da Interface Física
É necessário estabelecer para as portas físicas se tais são de envio ou recebimento de informações, caracterizando-as como OUTPUT ou INPUT PIN. Devido ao fato de que os LED’s são acionados quando recebem o sinal +5V, se trata de um acionamento e não uma leitura de informação. Para que esta condição seja compreendida pelo microcontrolador, é necessário criar uma sintaxe no código fonte:
void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(led1, OUTPUT); pinMode(led2, OUTPUT); pinMode(led3, OUTPUT); pinMode(led4, OUTPUT); pinMode(led5, OUTPUT); pinMode(led6, OUTPUT); pinMode(led7, OUTPUT); pinMode(led8, OUTPUT); pinMode(led9, OUTPUT); pinMode(led10, OUTPUT); }
