Controle de Aquecimento Solar Para Piscinas
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA CANÍSIO BARTH JUNIOR NELSON EDELFLIDES CARNEIRO CONTROLE DE AQUECIMENTO SOLAR PARA PISCINAS - CASP Ponta Grossa, PR. 2008
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA
CANÍSIO BARTH JUNIORNELSON EDELFLIDES CARNEIRO
CONTROLE DE AQUECIMENTO SOLAR PARA PISCINAS - CASP
Ponta Grossa, PR.2008
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CANÍSIO BARTH JUNIORNELSON EDELFLIDES CARNEIRO
CONTROLE DE AQUECIMENTO SOLAR PARA PISCINAS - CASP
Documentação apresentada ao Departamento de Informática daUniversidade Estadual de Ponta Grossa para a disciplina de Projeto.
Orientador: João Umberto Furquim de SouzaCo-orientador: Josmar Ivanqui
Ponta Grossa, PR.2008
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO..................................................................................................................61.1 TEMA DA PESQUISA..............................................................................................6
1.1.1 O Aquecimento Solar .........................................................................................61.1.2 Delimitação do Tema..........................................................................................7
1.2 PROBLEMA ..............................................................................................................81.3 HIPÓTESE .................................................................................................................81.4 OBJETIVOS...............................................................................................................8
1.4.1 Objetivo Geral ....................................................................................................81.4.2 Objetivos Específicos .........................................................................................8
1.5 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................91.6 ESTRUTURA DO TRABALHO ...............................................................................9
2 DESENVOLVIMENTO...................................................................................................102.1 REVISÃO DA LITERATURA................................................................................10
2.1.1 Microcontroladores...........................................................................................102.1.2 Sensores de Temperatura..................................................................................10
2.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO..................................................................112.2.1 Escopo ..............................................................................................................112.2.2 Equipamentos ...................................................................................................112.2.3 Custos ...............................................................................................................122.2.4 Riscos ...............................................................................................................132.2.5 Benefícios .........................................................................................................132.2.6 Cronograma ......................................................................................................142.2.7 Situação atual....................................................................................................14
2.3 Plano de testes ..........................................................................................................262.4 RESULTADOS E ANÁLISES ................................................................................27
3 CONCLUSÃO..................................................................................................................284 Responsabilidades ............................................................................................................29REFERÊNCIAS .......................................................................................................................30
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LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 – Interface, Tela Principal ..........................................................................................15Figura 2 – Interface, Menu 1 ....................................................................................................15Figura 3 – Interface, Menu 2 ....................................................................................................16Figura 4 – Esquema Elétrico ....................................................................................................17Figura 5 – Fluxograma parte 1 .................................................................................................18Figura 6 – Fluxograma parte 2. ...............................................................................................19Figura 7 – Fluxograma parte 3 ................................................................................................20Figura 8 – Fluxograma parte 4 ................................................................................................21Figura 9 – Fluxograma parte 5 ................................................................................................22Figura 10 – Layout da placa de circuito impresso....................................................................26Figura 11 – Modelo 3D da placa finalizada .............................................................................26
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LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Custos do Projeto...................................................................................................12Quadro 2 - Cronograma............................................................................................................14
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1 INTRODUÇÃO
Nesse trabalho é abordado o aquecimento de piscinas através de painéis
solares, e é proposto um sistema de automação para esse processo.
1.1 TEMA DA PESQUISA
A pesquisa trata do funcionamento dos sistemas de aquecimento solar para
piscinas. Os equipamentos que são utilizados, as instalações e operação também
serão objetos de estudo.
1.1.1 O Aquecimento Solar
No trecho a seguir é explicado de forma simples o funcionamento de painéis
solares.
O funcionamento de um aquecedor solar é muito simples. Basicamente é o mesmo que se verifica quando deixamos, sob a ação do sol, um veículo fechado e estacionado por algumas horas. A ação da radiação solar se faz cada vez mais presente a medida em que a pintura do veículo se aproxima da cor preta, ocorrendo o mesmo com o seu interior. Essa comparação não terá o mínimo sentido se visualizar-mos o carro e o aquecedor solar pela forma geométrica e utilidade que ambos possam ter. Mas levando em conta o efeito térmico que ocorre, esta comparação faz sentido. Podemos inicialmente imaginar uma caixa de forma geométrica retangular, hermeticamente fechada, tendo dentro dela uma chapa plana ou ondulada pintada de preto fosco, apoiada no fundo da caixa, tendo esta como cobertura uma lâmina de vidro plano transparente (figura 1).
Colocando agora esta caixa sob a ação da luz solar visível e da respectiva radiação infravermelho as quais podem atuar juntas ou separadamente. A radiação solar atravessará o vidro de cobertura e ao encontrar a chapa preta, sofre uma alteração no seu comprimento de onda, o que a torna impotente para atravessar, de volta, o vidro. A partir daí tem origem uma re-emissão
Figura 1
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desta radiação no sentido vidro/chapa/vidro. Como a caixa se encontra hermeticamente fechada ocorre um fenômeno conhecido por efeito estufa, responsável pelo aumento progressivo da temperatura da chapa pintada de preto fosco enquanto durar a ação da radiação solar. Nada impede que a pintura da chapa tenha outra cor qualquer dentro da escala cromática, porém sabe-se que a cor preta é a que praticamente absorve toda a radiação nela incidente, nos mais diferentes comprimentos de onda do espectro solar, a exceção das superfícies seletivas, cuja absorção é quase que total. Para o aquecimento da água, propriamente dito, colocamos sob esta chapa e em contato direto com ela, uma grade de tubos paralelos ligados nas extremidades por dois tubos de maior diâmetro, contendo água em seu interior. (figura 2)
Como a chapa preta está sendo aquecida pela radiação solar e estando a grade de tubos em contato direto com a respectiva chapa, verifica-se uma transferência de calor (temperatura da chapa), para a grade de tubos e desta para a água que se encontra em seu interior. A água aquecia torna-se menos densa, dando início a convecção natural. Este movimento convectivo é também conhecido como termo-sifão e ele só será interrompido quando toda a massa de água entrar em equilíbrio térmico. (BEZERRA, 2008).
1.1.2 Delimitação do Tema
Uma alternativa para o aquecimento de piscinas consiste no uso de painéis
solares, pois fazem uso da radiação solar, que é uma fonte de energia renovável e
pode ser utilizada sem custo algum.
Hoje, esse processo consiste no uso de painéis solares, que retém o calor no
seu interior para aquecer a água e ficam normalmente no telhado, e uma bomba
d’água usada para fazer a água da piscina subir aos painéis.
Figura 2
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1.2 PROBLEMA
O uso da bomba para deslocar a água é um processo simples, porém é difícil
para uma pessoa decidir quando é necessário o uso da bomba.
Esse fato pode fazer com que haja um gasto desnecessário de energia
elétrica, caso a bomba seja ligada desnecessariamente. Além disso, caso a bomba
não seja ligada nos horários de maior incidência de raios solares, os painéis solares
serão sub-utilizados, desperdiçando seu potencial de aquecimento. Será que pode-
se resolver este problema fazendo uso da automação deste sistema?
1.3 HIPÓTESE
Propõe-se um controle automático da ativação da bomba, para que um
sistema eletrônico monitore o ambiente e faça a tomada de decisões, sem
intervenção do usuário, se a bomba deve estar ligada ou não.
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo Geral
Aquecer ao máximo a água da piscina, ligando a bomba o mínimo possível,
tornando o mecanismo de funcionamento de forma automática.
1.4.2 Objetivos Específicos
Verificar os meios possíveis para ler a temperatura da água da piscina e da
água dos painéis solares.
Avaliar as maneiras de analisar esses dados para decidir sobre o
funcionamento da bomba d’água.
Criar um modo de atuar sobre a bomba quando o sistema identificar essa
necessidade.
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Projetar um sistema micro-controlado que possa controlar eficientemente uma
bomba para minimizar o seu uso e aquecer uma piscina o máximo possível,
utilizando painéis solares, de forma automática.
1.5 JUSTIFICATIVA
Um sistema automatizado de controle do aquecimento solar de piscinas pode
facilitar o dia-a-dia das pessoas responsáveis por sua manutenção.
Outro fator que justifica o desenvolvimento do projeto é o uso inteligente da
energia elétrica gasta pela bomba.
1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho está organizado em três capítulos. O Capítulo 2 traz a revisão
da literatura, abordando os tópicos mais importantes para o desenvolvimento do
projeto, discute-se sobre as soluções já existentes, além de detalhar o
desenvolvimento do projeto e seu estado atual, bem como os resultados obtidos até
agora. O Capítulo 3 apresenta a discussão dos resultados e as conclusões do
trabalho. O Capítulo 4 trata das responsabilidades dos envolvidos.
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2 DESENVOLVIMENTO
2.1 REVISÃO DA LITERATURA
Para o desenvolvimento de uma solução automatizada do processo de
aquecimento da água, são necessários conhecimentos em eletrônica, especialmente
microcontroladores e sensores de temperatura.
2.1.1 Microcontroladores
Os microcontroladores são dispositivos eletrônicos que integram em um único
chip um processador, memória de programa, memória de dados, e recursos de
entrada e saída. O processador é responsável pela execução de operações lógicas
e aritméticas solicitadas ao sistema. A memória de programa armazena instruções
de programa, ou seja, instruções que determinam o que o microcontrolador irá fazer.
As informações de dados que o programa utiliza, ficam armazenadas na memória de
dados. A comunicação do microcontrolador com o meio externo é feita através de
pinos que estão associados às estruturas de memória localizadas internamente no
dispositivo. Outros periféricos do microcontrolador podem ser citados, como o clock,
controladores de interrupção, contadores e timers.
Para o projeto, escolheu-se o microcontrolador PIC16F877A (PIC16F877A,
2008), com baixo custo e diversidade de recursos, é um exemplo de
microcontrolador que atende às necessidades exigidas pelo sistema. Fabricado pela
Microchip Technology (MICROCHIP TECHNOLOGY INC, 2008) possui um conjunto
com 35 instruções de 14 bits relativamente simples, podendo operá-las numa
freqüência de até 20MHz. Entre seus principais recursos podemos citar o módulo de
conversão analógico/digital, o qual será utilizado para conversão dos sinais
analógicos dos sensores de temperatura, comunicando-os com o restante do
sistema.
2.1.2 Sensores de Temperatura
Os sensores de temperatura são basicamente dispositivos eletrônicos que ao
receberem um estímulo de temperatura (entrada), geram um sinal elétrico de saída
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correspondente. Tais sensores podem ser de vários tipos, podendo-se citar os
termistores (resistência inversamente proporcional à temperatura), diodos (diodos
comuns têm uma queda tensão de aproximadamente 2mV para cada °C), os
termopares (formados por dois metais encostados, que, quando submetidos à
temperatura, induzem uma tensão em seus extremos), entre outros.
O LM35DZ (LM35, 2008) é um sensor de temperatura fabricado pela National
Semiconductor (NATIONAL SEMICONDUCTOR, 2008). Quando polarizado,
proporciona um sinal analógico de saída de 10mV por °C. Para o projeto escolheu-
se esse sensor, pois possui uma escala linear proporcional à escala de temperatura
Celsius, e sua comunicação com o microcontrolador pode ser realizada de maneira
simples, utilizando apenas um amplificador, para que este insira um ganho na saída
do sensor, possibilitando assim a faixa correta de tensão para o conversor interno ao
microcontrolador.
2.2 DESENVOLVIMENTO DO PROJETO
2.2.1 Escopo
O sistema proposto fará o sensoriamento de dois pontos: um deles na água
da piscina (dentro da tubulação de saída da água) e outro na saída da placa solar e
a partir desses dados acionará o motor caso seja necessário. O sistema não será
integrado a outros métodos de aquecimento.
A interface do sistema consistirá de um display LCD e de três botões, para a
visualização e a alteração dos parâmetros.
O usuário poderá definir alguns parâmetros, como: temperatura máxima e a
diferença de temperatura necessária entre o painel e a piscina para ligar a bomba.
A amplitude de temperatura na qual o sistema irá trabalhar é de 0 a 50ºC.
2.2.2 Equipamentos
O sistema consiste em:
a) um microcontrolador;
b) dois sensores de temperatura;
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c) um relé;
d) um display LCD;
e) três botões;
f) um LED;
g) dois amplificadores operacionais;
h) resistores, capacitores, e fios para conexão.
O microcontrolador irá monitorar os sensores, processar as informações
comparando as temperaturas e caso haja uma diferença entre elas, determinada
pelo usuário durante a utilização e acionará o motor se necessário.
2.2.3 Custos
Os custos em componentes somam R$ 98,95 (noventa e oito reais e noventa
e cinco centavos). Caso o produto seja produzido em série, o seu custo unitário total
será próximo a esse valor, sendo que existirá ainda o custo de mão-de-obra para a
sua montagem, mas os componentes comprados no atacado teriam o preço
reduzido.
O custo de mão-de-obra, 100 horas, foi estimado para o desenvolvimento do
projeto, criação e montagem do protótipo.
Componente Preço (R$)Microcontrolador 16,30Sensores 9,00Fonte 12V 12,00Placa CI 4,00Relé 2,50Botões 5,00Display LCD 13,50LED 0,15Resistores 2,00Capacitores 1,00Oscilador Cristal 4,00Gravador de PIC 20,00Fios 5,00Amplificadores Operacionais 3,50Potenciômetro 1,00Transistor 0,20
Conectores 4,00
Mão-de-obra (100 horas) 2.000,00
Total 2.103,15Quadro 1 – Custos do Projeto
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O projeto não inclui a bomba ou o painel solar, sendo que esses devem ser
adquiridos separadamente pelo cliente.
2.2.4 Riscos
O projeto depende de um subsistema (conjunto painel solar – bomba), se este
falhar, poderá comprometer o escopo do nosso trabalho.
Um dos fatores que poderá gerar atraso na fase de programação é o fato de
que o trabalho com esse sistema microcontrolado necessita de uma conversão
analógico-digital, a qual exige um maior conhecimento por parte dos programadores.
Outros fatores de risco podem ser relacionados, por exemplo, falha de
componentes, atraso na entrega (aquisição) de produtos, falhas relacionadas à
distribuição de energia elétrica.
2.2.5 Benefícios
O maior benefício é financeiro, e é dado de duas maneiras:
a) O custo do equipamento para produção em série é de, como será
detalhado adiante, aproximadamente 98 reais. Significativamente menor
do que os equipamentos que estão atualmente no mercado, como o
MICROSOL (MICROSOL, 2008), por exemplo, que custa
aproximadamente 310 reais no mercado.
b) A economia de energia elétrica, já que o motor não será ligado em vão.
Essa economia varia de acordo com o clima da região, da bomba
instalada e do tamanho da piscina.
Outro benefício do sistema é a praticidade, já que o sistema é automatizado e
requer a mínima intervenção do usuário.
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2.2.6 Cronograma
Data Atividade
13/03 Entrega da Definição de Projeto
14/03-23/04 Desenvolvimento do Anteprojeto
24/04 Entrega do Anteprojeto
25/04-14/05 Desenvolvimento da Documentação
15/05 Defesa do 1º Bimestre
16/05-25/06 Desenvolvimento da Documentação
19/06 Entrega da Documentação
26-03/06 Defesa do 2º Bimestre
04/06-24/9 Implementação
25/09 Entrega da Documentação
02-09/09 Defesa do 3º Bimestre
10/09-19/11 Implementação e Finalização do Projeto
20/11 Entrega da Documentação Final
29/11-04/12 Defesa do 4º Bimestre
Quadro 2 - Cronograma
2.2.7 Situação atual
O projeto está com a modelagem completa, com o fluxograma concluído e
testes de implementação foram feitos no simulador de circuitos Proteus (PROTEUS,
2008) para testar o funcionamento dos componentes em conjunto.
O layout da placa de circuito impresso foi feito também utilizando o Proteus e
a placa está em fase de montagem.
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2.2.7.1 Protótipo de Interface
A interface será constituída, fisicamente, por um display LCD, quatro botões e
um LED. Através dessa interface o usuário poderá alterar os parâmetros do sistema,
escolhendo a opção desejada utilizando o botão “M”, e alterando o seu valor
utilizando os botões “+” e “-”.
Figura 1 – Interface, Tela Principal
Figura 2 – Interface, Menu 1
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Figura 3 – Interface, Menu 2
Os parâmetros que poderão ser alterados são: temperatura máxima e o
diferencial de temperatura para o acionamento da bomba, como mostrado nas
figuras 2 e 3.
O botão “reset” reiniciará o microcontrolador quando pressionado, e o LED
indicará a situação atual da bomba (ligada ou desligada).
A tela principal é mostrada na figura 1. Essa tela exibirá os valores atuais de
temperatura na piscina e no painel, em graus Celcius.
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2.2.7.2 Esquema Elétrico
Figura 4 – Esquema Elétrico
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2.2.7.3 Fluxograma
Vetor de reset/inicio
Config iniciaisPortas,timers,option,int...
Início
Reset WDT?
Aguarda estouro
Não
Limpa RAM
Sim
Inicializa Display
1
Figura 5 – Fluxograma parte 1
19
1
Inicia Conversão(Sensor1)
Inicia Conversão(Sensor 2)
Fim conversão?
Fim conversão?
Guarda valor convertido (t1)
Guarda valor convertido (t2)
Sim
Sim
Não
Não
Ajusta conversor para canal 0
Ajusta conversor para canal 1
2
Figura 6 – Fluxograma parte 2
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Verifica presença dos sensoresCalcula diferencialCompara diferencialCompara temperatura máx
2
Ligar motor?
Liga reléLiga led
Desliga reléDesliga led
Ajuste decimal
Escreve temperaturas no display
Testa botão 1
Alterar parâmetro?
Ajusta valores(multiplica e divide)
Não
NãoSim
SimTrata botão 1 1
Figura 7 – Fluxograma parte 3
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Escreve temperaturasno display
Posiciona cursor
Converte dezena de t1 em ASCII
Converte unidade de t1 em ASCII
Escreve dezena
Escreve unidade
Posiciona cursor
Converte dezena de t2 em ASCII
Converte unidade de t2 em ASCII
Escreve dezena
Escreve unidade
Retorna
Prepara tela principal“PISCINA (t1)PAINEL (t2)”
Figura 8 – Fluxograma parte 4
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Trata Botão 1
Prepara tela menu“TEMP MÁX(max)”
Posiciona cursor
Botão2press?
Botão3press?
Botão1press?
Incrementa Temp maxConverte e escreve
Decrementa Temp maxConverte e escreve
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Botão2press?
Botão3press?
Botão1press?
Incrementa Diferencial
Converte e escreve
Decrementa DiferencialConverte e escreve
Sim
Sim
Sim
Não
Não
Não
Prepara tela menu“DIFERENCIAL”Posiciona cursor
1
Figura 9 – Fluxograma parte 5
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2.2.7.4 Código Fonte
Abaixo será mostrado um pequeno trecho de código implementado na
linguagem de máquina do PIC 16F877A.
O código fonte foi desenvolvido utilizando o MPLAB IDE v7.60 (MICROCHIP,
2008), no qual são feitos os ajustes de canal e as conversões de temperatura:
24
Trecho onde estão as instruções para escrever a palavra “Temperatura” no
LCD:
25
No código abaixo são tomadas as decisões referentes ao acionamento da
bomba:
2.2.7.5 Layout da placa de circuito impresso
Abaixo será mostrado o layout da placa de circuito impresso projetado no
Proteus e uma ilustração do circuito pronto em três dimensões.
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Figura 10 – Layout da placa de circuito impresso
Figura 11 – Modelo 3D da placa finalizada
2.3 PLANO DE TESTES
Para verificar a consistência do software, foram realizados testes para observar
o seu funcionamento. Os testes são os seguintes:
a) No menu “diferencial”, tentar diminuir seu valor para um valor negativo, o
que pode causar falhas.
b) No menu “temperatura máxima”, tentar diminuir seu valor para um valor
negativo, o que pode causar falhas.
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c) No menu “temperatura máxima”, tentar aumentar seu valor para um valor
maior que 50, que é o limite superior da faixa de trabalho do sensor, o que
pode causar falhas.
d) No menu “diferencial”, tentar aumentar seu valor para um valor maior que
50, o que pode causar falhas, já que o sensor funciona entre 0 e 50 graus.
e) Resetar o sistema para verificar a permanência das configurações.
f) Simular variações de temperatura para verificar o comportamento do
sistema.
g) Retirar o conector dos sensores para avaliar o comportamento do sistema.
Para testar o funcionamento dos componentes físicos, foram realizados os
seguintes testes:
a) Testar a perda de sinal entre o sensor e o amplificador operacional,
variando a bitola e o comprimento dos fios utilizados.
b) Testar a perda de sinal entre o amplificador operacional e o
microcontrolador, variando a bitola e o comprimento dos fios utilizados.
c) Testar o acionamento do motor para verificar a existência de algum tipo de
interferência.
d) Testar o funcionamento dos botões.
e) Verificar o funcionamento do LCD.
f) Testes de leitura e escrita na RAM.
Todos os testes foram realizados e os resultados obtidos foram os esperados,
não foram encontradas não-conformidades.
2.4 RESULTADOS E ANÁLISES
Não foram encontrados empecilhos para o desenvolvimento do projeto. O
software para o microcontrolador já foi implementado e testado, e mostrou-se
compatível com o modelo de sensor de temperatura escolhido. O desenvolvimento
do protótipo do sistema já foi concluído e o plano de testes foi executado com
sucesso.
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3 CONCLUSÃO
O projeto cumpriu com o objetivo de monitorar dois sensores de temperatura
e acionar uma bomba automaticamente, de acordo com os parâmetros fornecidos
pelo usuário.
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4 RESPONSABILIDADES
_____________________________________Canisio Barth Junior
_____________________________________Nelson Edelflides Carneiro
_____________________________________João Umberto Furquim de Souza
(orientador)
_____________________________________Josmar Ivanqui(co-orientador)
_____________________________________Idomar Augusto Cerutti
(cliente)
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REFERÊNCIAS
LM35. Disponível em: <http://www.national.com/mpf/LM/LM35.html>. Acesso em:
22.mai.2008.
MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Disponível em: <http://www.microchip.com>.
Acesso em: 20.mai.2008.
MICROSOL. Disponível em: <http://www.fullgauge.com.br/PDF/MICROSOL.pdf>.
Acesso em: 29.mai.2008.
NATIONAL SEMICONDUCTOR. Disponível em:
<http://www.national.com/mpf/LM/LM35.html>. Acesso em: 21.mai.2008.
PIC16F877A. Disponível em:
<http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=133
5&dDocName=en010242>. Acesso em: 20.mai.2008.
PROTEUS SIMULATION. Disponível em:
<http://www.labcenter.co.uk/products/basicsim.cfm>. Acesso em: 22.mai.2008.
BEZERRA, Arnaldo M. Como Funciona um Aquecedor Solar de Água. Disponível
em: <http://www.hidrovector.com.br/downloads/aquecedor.exe>. Acesso em
20.mai.2008.
