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CENTRO DE ENSINO SUPERIOR DOS CAMPOS GERAIS – CESCAGE http://www.cescage.edu.br/publicacoes/technoeng ISSN: 2178-3586 / 20ª Edição / Jul - Dez de 2019 DESENVOLVIMENTO DE CONTROLADORA UNIVERSAL DE AR CONDICIONADO AUTOMOTIVO DEVELOPMENT OF STANDARD AUTOMOTIVE AIR CONDITIONING CONTROLLER Joel Claudio Sutil; Rafael Dalzotto; Rodrigo Adamshuk Silva, Fabio Junio Alves Batista, Sabrina Passoni Maravieski, Rubyan Lucas Santos Piazzetta Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais CESCA GE - Curso de Engenharia Elétrica Ponta Grossa - PR Brasil. [email protected] Resumo: O sistema de ar condicionado automotivo tornou-se um item de necessidade, seja pela grande variação de temperatura em todo o território brasileiro ou devido à violência que assola as cidades, com isso surgiu a necessidade do desenvolvimento do protótipo de uma controladora universal de ar condicionado para veículos automotores, visando suprir uma demanda do mercado de reposição que atualmente usa o sistema analógico e ou que tem dificuldade de encontrar peças de reposição ou um produto que possa permitir a conversão para sistema automático de boa qualidade e custo acessível. Este trabalho apresenta os passos para desenvolvimento desse protótipo, desde o desenvolvimento do sistema, execução das placas, até os testes finais que comprovam sua funcionalidade. O sistema desenvolvido utiliza como controladora o dispositivo ESP32, sensores de temperatura DS18B20 com comunicação via protocolo one wire e um display touch screen Nextion em sua IHM e para os atuadores servomotores. A operação ocorre através da coleta de informações sobre as condições do ambiente, através dos sensores ou escolhas do usuário através de sua IHM, realizando a comparação entre os valores coletados com os parâmetros pré-determinados e imediatamente tomando as ações designadas pelos atuadores do sistema. Por fim para comprovar a sua funcionalidade, foram realizados testes de aferição das temperaturas medidas e repetibilidade de posicionamento dos atuadores. Palavras-chave: Ar Condicionado Automotivo, Controladora, DS18B20, ESP32, Nextion, RTC DS3231, Servomotor. Abstract: The Automotive Air Conditioning System has became a necessary item, specially due to the great temperature variation in our National territory or due to the violence inside of our big cities, therewith arise the need of development of a Prototype of Standard Automotive Air Conditioning System, with the main objective to reach the repair parts market or those are facing the dificulties to find repair parts or a product to make the conversion from analogic to automatic system. This academic work presents the development steps of this prototype, since of system development, eletronic board construction until the final tests to verify the functionality. The developed system uses as controller the ESP32 device, DS18B20 temperature sensors with one wire comunication protocol, Nextion touch screen display in their HMI and servomotors for the actuators. The system works with the environment informations measurement trough sensors, or operators commands in their HMI, and then with all these

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DESENVOLVIMENTO DE CONTROLADORA UNIVERSAL DE AR

CONDICIONADO AUTOMOTIVO

DEVELOPMENT OF STANDARD AUTOMOTIVE AIR CONDITIONING

CONTROLLER

Joel Claudio Sutil; Rafael Dalzotto; Rodrigo Adamshuk Silva, Fabio Junio Alves Batista, Sabrina

Passoni Maravieski, Rubyan Lucas Santos Piazzetta

Centro de Ensino Superior dos Campos Gerais – CESCA GE - Curso de Engenharia Elétrica – Ponta

Grossa - PR – Brasil.

[email protected]

Resumo: O sistema de ar condicionado automotivo tornou-se um item de necessidade, seja pela grande variação de temperatura em todo o território brasileiro ou devido à violência que assola as cidades, com isso surgiu a necessidade do desenvolvimento do protótipo de uma controladora universal de ar condicionado para veículos automotores, visando suprir uma demanda do mercado de reposição que atualmente usa o sistema analógico e ou que tem dificuldade de encontrar peças de reposição ou um produto que possa permitir a conversão para sistema automático de boa qualidade e custo acessível. Este trabalho apresenta os passos para desenvolvimento desse protótipo, desde o desenvolvimento do sistema, execução das placas, até os testes finais que comprovam sua funcionalidade. O sistema desenvolvido utiliza como controladora o dispositivo ESP32, sensores de temperatura DS18B20 com comunicação via protocolo one wire e um display touch screen Nextion em sua IHM e para os atuadores servomotores. A operação ocorre através da coleta de informações sobre as condições do ambiente, através dos sensores ou escolhas do usuário através de sua IHM, realizando a comparação entre os valores coletados com os parâmetros pré-determinados e imediatamente tomando as ações designadas pelos atuadores do sistema. Por fim para comprovar a sua funcionalidade, foram realizados testes de aferição das temperaturas medidas e repetibilidade de posicionamento dos atuadores. Palavras-chave: Ar Condicionado Automotivo, Controladora, DS18B20, ESP32, Nextion, RTC DS3231, Servomotor. Abstract: The Automotive Air Conditioning System has became a necessary item, specially due to the great temperature variation in our National territory or due to the violence inside of our big cities, therewith arise the need of development of a Prototype of Standard Automotive Air Conditioning System, with the main objective to reach the repair parts market or those are facing the dificulties to find repair parts or a product to make the conversion from analogic to automatic system. This academic work presents the development steps of this prototype, since of system development, eletronic board construction until the final tests to verify the functionality. The developed system uses as controller the ESP32 device, DS18B20 temperature sensors with one wire comunication protocol, Nextion touch screen display in their HMI and servomotors for the actuators. The system works with the environment informations measurement trough sensors, or operators commands in their HMI, and then with all these

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informations the software algoritm takes the correct decision, at the end the system making the actions. And then for to prove the functionality temperature gauging tests and servomotors positioning tests were performed. Keywords: Automotive Air Conditioning, Controller, DS18B20, ESP32, Nextion, RTC DS3231, Servomotor.

INTRODUÇÃO

Nos dias atuais o sistema de ar condicionado (AC) deixou de ser um item de luxo e se tornou um item de necessidade, devido à grande variação de temperatura que ocorre em todo o Brasil (ITAO, 2005).

Também devido à violência que assola as cidades brasileiras, obrigando o motorista a ficar com os vidros fechados o tempo todo, se tiver ar condicionado e estiver funcionando normalmente passará por esses momentos sem maiores problemas (VIEIRA e GRIMBERG, 2008).

Se não estiver funcionando, o condutor terá que escolher entre segurança, mantendo os vidros fechados, ficando estressado o tempo todo, ou acabará abrindo os vidros assumindo os riscos da violência dos grandes centros urbanos (BEATRICE, 2009).

No Brasil para a grande maioria dos veículos que contém ar condicionado com controle digital ou analógico é possível fazer a manutenção desses equipamentos até um prazo estipulado pós-produção serial. Posterior a esse período, motoristas e lojas de manutenção de ar condicionado automotivo sofrem com a escassez de produtos para reparos e trocas.

Em veículos em produção e que contém ar condicionado digital, as oficinas especializadas em manutenção destes equipamentos muitas vezes não dispõem de peças específicas devido ao custo elevado de equipamentos de manutenção do ar condicionado digital, devido a isto, muitos motoristas acabam não conseguindo fazer o reparo do ar condicionado digital inutilizando o mesmo.

Outra questão é relacionada a temperatura interna. Veículos equipados com ar condicionado analógico não conseguem manter uma temperatura definida no interior, pois não dispõe de sensores internos de temperatura. Estes sensores são responsáveis por enviar dados de temperatura ao controlador, que por sua vez ajusta a temperatura caso ocorram variações.

No Brasil, o Programa de Proteção do Consumidor (PROCON), impõe a fornecedores e fabricantes de peças automotivas o dever de prover o mercado com peças e componentes, a diretriz para produção de peças automotivas para reposição se limita a 10 anos de produção segundo o projeto de lei (PL 338/2015) e o Artigo 32 do código do consumidor, observando este cenário de 10 anos em 2008 foram emplacados 1.840.070 veículos leves, no acumulado de 2008 (FENABRAVE, 2008).

Foi alterado o texto do Projeto de Lei (PL) PL 3002/11 onde se definiu o prazo de 10 anos para a manutenção dos estoques mínimos, texto não previsto na proposta original (SIQUEIRA e CRESPO, 2017).

Também este projeto objetiva atender os entusiastas de carros antigos, onde o AC é um opcional desejado, porém inatingível devido á dificuldade de encontrar sistemas apropriados para a instalação.

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Voltando os olhos para a história do automóvel, a sua evolução iniciou-se em 1885 com a adaptação de um motor de quatro tempo por Kar Benz, este considerado o pai do automóvel. Com o passar dos anos foram realizadas muitas melhorias que contribuíram para esta evolução até a atualidade (SALLA e CADIOLI, 2007).

Assim os automóveis têm evoluído de maneira muito rápida, no início sendo fabricados de forma artesanal sob encomenda e atualmente são produzidos aos milhares mensalmente. Segundo dados da Federação Nacional da Distribuição de Veículos Automotores (FENABRAVE), somente no mês de julho de 2018 foram produzidos 176.067 veículos em todo o país (FENABRAVE, 2018).

Se em 2018 apenas uma parte dos veículos fabricados em 2008 precisarem de peças de reposição do sistema de AC, provavelmente terão dificuldades em realizar essa manutenção, por muitas vezes ficando sem o sistema de AC ou recorrendo a peças em ferros velhos ou desmanches autorizados.

Portanto, essa pesquisa busca o desenvolvimento de um protótipo que atenda os proprietários de veículos que não conseguem peça de reposição, que tenha garantia de funcionamento e que haja disponibilidade no mercado.

Assim, com o desenvolvimento do protótipo deste dispositivo de baixo custo existe a possibilidade de recolocar em operação os sistemas inoperantes devidos a defeitos e dificuldades de encontrar peças de reposição. Esse dispositivo também poderá oferecer uma solução técnica requintada com controle automático de temperatura devido ao seu circuito em malha fechada com sensores de temperatura do interior da cabine sendo monitorados em tempo real.

REVISÃO DE LITERATURA

Incentivados pelos veículos customizados como o Cadilac, em 1932 o Laboratório de Estudos e Desenvolvimentos da companhia General Motors (GM) iniciou o desenvolvimento do sistema de AC com a utilização do vapor comprimido do fluido refrigerante Freon R-12. Nesse estudo foram definidas a potência do sistema em torno de 3,5KW e a temperatura mínima da cabine, sendo aproximadamente 5,6°C para evitar choques térmicos aos ocupantes ao sair do veículo (WEB AR CONDICIONADO, 2017).

O primeiro veículo a sair realmente de fábrica, ou seja, da linha de montagem equipado com AC foi o Pontiac 1954 (SENAI, 2009).

O sistema de AC tanto veicular como em edificações, é o sistema responsável por regular artificialmente a temperatura, fluxo de ar e a umidade no interior de veículos e ambientes onde instalado, oferecendo conforto e bem estar aos usuários do sistema (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

Também conhecidos como gases refrigerantes, os fluidos refrigerantes são substâncias que possuem a capacidade de mudar seu estado físico de liquido para gasoso de acordo com o clico de refrigeração (WEB AR CONDICIONADO, 2012).

Esses fluidos refrigerantes são classificados de acordo com a norma internacional ANSI/ASHRAE Standard 34 que define o seu padrão de nomenclatura, onde normalmente começam com a letra “R” de refrigerante (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

São conhecidos dois princípios de funcionamento dos sistemas de refrigeração e AC: sistema por compressão de vapor e sistema por absorção de vapor (WEB AR CONDICIONADO, 2012).

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O ciclo utilizado na refrigeração por sistemas de compressão de vapor é o ciclo reverso de Carnot e este precisa de uma fonte externa de trabalho sendo aplicado neste caso o compressor (CREDER, 2004).

O fluído refrigerante em forma de vapor com baixa temperatura é aspirado pelo compressor do dispositivo de evaporação e descarregado no condensador, no interior do condensador o vapor é liquefeito devido a troca de calor entre condensador e ar forçado vindo do ventilador. Ao sair do condensador o fluido em estado líquido é direcionado ao filtro secador onde são removidas as impurezas e umidade provenientes do desgaste do sistema (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

Tão logo que o fluído é expelido pelo filtro secador é direcionado ao dispositivo de expansão, que vaporiza o fluido em estado líquido e em baixa pressão no interior do evaporador, que por sua vez sofre o resfriamento. Então, um ventilador acoplado no evaporador é responsável por enviar o ar resfriado para o interior do ambiente ou veículo (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

O sistema de controle é responsável por regular as condições de conforto no ambiente, manter a eficiência do sistema e atuar no caso de desvios das condições de operação mantendo a segurança dos usuários e dos equipamentos (STOECKER e JONES, 1985).

De maneira geral o controle do AC realiza sua operação coletando informações sobre as condições do ambiente, através dos dispositivos como sensores, realizando a comparação entre os valores medidos e os parametrizados então tomando decisões sobre os atuadores do sistema.

No sistema de AC veicular o controle da movimentação do ar, responsável pela manutenção das condições de conforto, ocorre no interior de um dispositivo chamado caixa de ar (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

No interior da caixa de ar encontram-se o ventilador, evaporador, trocador de calor do ar quente, portinholas e sistema de controle das portinholas, neste caso através de motores (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

Através do controle dos mecanismos das portinholas que o fluxo de ar é direcionado tanto para o evaporador do sistema AC ou para o trocador de calor do ar quente, controlando assim a temperatura no interior da cabine (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

No sistema de AC com controle manual o usuário pode controlar o acionamento do sistema, distribuição do ar, velocidade do ventilador e modo de recirculação, mas não há um ajuste fino da temperatura desejada. O fluxo de ar é controlado no interior da caixa de ar através da atuação de cabos (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

O sistema de AC com controle automático de temperatura, é composto por motores para as portinholas e painel de comando eletrônico (MACEDO, FILHO e KURODA, 2016).

Controle PWM (Pulse Width Modulation) ou Modulação de Largura de Pulso, é um sistema de chaveamento que permite controle de correntes por indutores de entrada e correntes que fluem da rede. Possibilita o controle de fluxo de potência média de uma carga em corrente contínua regulando as tensões de saída que normalmente passa por um filtro composto por bancos de capacitores. Sua utilização é muito ampla na indústria, podendo ser usada desde o controle de luminosidade de uma a lâmpada até o controle de velocidade de uma motor, seu sinal é sempre igual,

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não importando a largura do pulso, considerando com nivel alto (1) e nível baixo (0), resultando numa onda quadrada (BORGONOVO, 2005).

A comunicação serial pode ser entendido como a transmissão de cada bit individualmente, por um único condutor sendo o Tx (Transmissor) e Rx (Receptor), cada bit poderá assumir nível alto (1) ou nível baixo (0), a interpretação de cada nível se dará conforme a tensão recebida.

Os bits são enviados um por vez, considerando de 2V a 5V como nível alto (bit1) e considerando de 0V a 0,8V como nível baixo (bit0), a grande vantagem é menos interferência por ser apenas um condutor, seu barramento é bem pequeno, suas desvantagens são menor velocidade e seus circuitos de recepção são mais complexos, o funcionamento da comunicação serial cada bit, sua velocidade será medida em bps (bits por segundo) (RABELLO, 2009).

Comunicação por protocolo one wire é a comunicação digital entre sensores e dispositivos de séries e adaptadores com os computadores. Essa comunicação é composta por alguns elementos básicos: computador como programação e controle de gerenciamento de comunicação, e componentes remotos série one-wire. Na comunicação por protocolo one wire (um fio), é feita utilização de uma biblioteca do Arduino, através de comunicação serial entre sensores através de pinos onde permite a leitura em intervalos regulares e armazena esses dados para utilização posterior (DIAS, SOARES e AMORIN, 2015).

MATERIAL E MÉTODOS

O módulo conversor de tensão Buck Boost (Figura 1) combina os conceitos de

conversores elevadores e abaixadores de tensão o Conversor Buck é o abaixador de

tensão e elevador de corrente, e o Conversor Boost é Elevador de tensão e abaixador

de corrente, a tensão média de saída pode ser superior ou inferior a de entrada,

entretanto, com polaridade invertida (JÚNIOR, 2013).

Figura 1 – Conversor de Tensão Buck Boost Ajustável DC-DC

Fonte: Autores

A Plataforma embarcada ESP32 é um módulo com chip integrado com capacidade de executar seus aplicativos em tempo real.

O display Nextion é um display touch screen com processador e memória integrados, que pode ser programado separadamente do sistema de controle através do software livre Nextion Editor e sua comunicação com sistema de controle pode ocorrer através de uma simples comunicação à dois fios TX – RX, (NX4827K043, 2019),

O Real Time Clock Rtc DS3231, é um módulo temporizador com sensor de temperatura interno e cristal oscilador que permite melhorar sua precisão. Possui sua

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bateria inclusa na placa para manutenção da cronometragem quando houver uma interrupção do fornecimento de energia externa. Pode armazenar as informações de segundos, minutos, horas, e datas, (MAXIM, 2015)

O Sensor de Temperatura DS 18B20 possui uma resolução programável de 9 a 12 bits e pode medir temperaturas em graus celsius de -55°C á + 125°C. Pode ser utilizado com comunicação onewire e até mesmo pode ser alimentado pela corrente da própria rede de comunicação. O DS18B20, possui código serial de 64 bits, permitindo a utilização de vários DS18B20 conectados na mesma rede onewire (MAXIM, 2018)

O micro Servo SG92R é uma combinação eletromecânica, seu circuito de controle, monitora o potenciômetro, que permite alteração de tensão mudando a posição atual para controlar a posição desejada através de suas engrenagens internas possibilita a velocidade desejada e com melhor torque, sua movimentação pode ser de 180º, em cada direção 90º.(EE.IC.AC, 2019)

A utilização do módulo relé de 4 canais, ativado através do microcontrolador do projeto, ESP32, contém 4 saídas de 5V, acionados por sinal enviado pelo microcontrolador, se dá através de suas saídas digitais que permitem que se controle potências maiores, em sua placa existe furação para fixação por parafusos e ainda pode ser alimentado por tensão externa de 12V (ALLDATASHEET, 2018)

No projeto prático os sensores de temperatura e o Display Nextion operam como elementos de entrada de informações, o componente ESP32 e RTC DS3231 operam como a ECU do veículo, e os servo-motores e Display Nextion operam na execução do trabalho. A Figura 2, demonstra em síntese essa relação.

Figura 2 – Síntese de operação do sistema

Fonte: Autores

Para iniciar o desenvolvimento do diagrama eletrônico do sistema completo, foi necessário estudar as conexões de cada componente separadamente para a aplicação deste projeto.

O dispositivo precisa de uma alimentação nos pinos 1 e 2, pinos 3 a 12, 18 à 20, 23 à 26 e 29 e 30 são configuráveis, podendo ser utilizados como entradas ou saídas.

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O dispositivo ainda possui dois canais para comunicação serial, sendo pinos 21 e 22 são RX2-TX2, estes serão utilizados para comunicação com o Display Nextion e os pinos 27 e 28 são RX0-TX0, e neste projeto estão livres.

Sua comunicação com o ESP32 foi realizada de maneira simples, os pinos 5 e 6 são sua alimentação VCC e GND respectivamente e seus pinos 3 e 4 sua comunicação via I2C com o ESP32, o restante do trabalho de comunicação foi realizado pela programação e o uso da devida biblioteca para o componente.

Os sensores DS18B20 são projetados para operar com o protocolo onewire, ou seja, comunicação através de apenas um fio. Desta maneira essa comunicação opera através do endereçamento de cada sensor, assim as conexões deste componente são consideravelmente simples, necessitando apenas alimentação positiva e negativa em 5VDC e todos os pinos de comunicação em paralelo conectados diretamente ao controlador. Mas um detalhe fundamental que é indicado

no datasheet do fabricante e deve ser observado é o resistor de 4,7KΩ conectado

entre o nó de sinal para a alimentação positiva, sem esse resistor, o sensor não realiza a troca de dados com o respectivo controlador.

As conexões do display Nextion são constituídas de GND e alimentação positiva nos pinos 1 e 4 respectivamente e a troca de informações com o controlador ocorre através da comunicação serial RX – TX, pinos 2 e 3. E estes devem ser conectados invertidos, ou seja, RX-display com TX-controlador, TX-display com RX-controlador.

O módulo de 4 relés necessita de alimentação 5VDC entre os pinos 1 e 6, e demais pinos são responsáveis pelo acionamento do seu respectivo relé. Assim este módulo de relés pode ser controlado por vários dispositivos de controles, desde botões, sensores e controladores. Neste projeto o controlador através de sua programação, é o responsável por acionar cada relé em seu determinado momento.

Para teste de funcionamento dos componentes, foi montado um protótipo em protoboard do sistema seguindo o diagrama eletrônico elaborado para o projeto.

O protótipo em protoboard está apresentado na Figura 3. Para a realização dos testes iniciais foi utilizado um recipiente plástico para fixação dos servomotores.

Figura 3 – Foto da montagem do protótipo no protoboard.

Fonte: Autores

Para a construção e programação da interface de operação no display Nextion foi utilizado o software Nextion Editor em sua versão V0.53. Esse software é distribuído gratuitamente pelo fabricante do display e pode ser encontrado no link: http://nextion.itead.cc/.

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Para a programação da interface, primeiramente foi construído um esboço da tela principal. Tendo este esboço como ponto de partida, foi necessário aprender a criar e programar a interface no respectivo software do display.

Para a criação da interface, primeiramente é necessário a criação de todas as figuras que serão utilizadas nas telas, essa criação pode ser realizada em qualquer software que permita tais recursos, no caso desse projeto foi utilizado o Microsoft Power Point, o importante é que todas as figuras devem ser editadas no tamanho real em Pixels de sua utilização e na extensão .png.

Com as configurações iniciais realizadas e com a tela do display em branco foram desenhadas as telas, iniciando pela cor do plano de fundo, selecionada na área de programação de atributos. Após definida a cor do plano de fundo, foram inseridas as figuras de cada botão e criadas as fontes que foram utilizadas, através do menu de recurso de figura ou fontes.

Após criados os botões, textos e demais itens planejados para a tela, foi necessário realizar a programação de alguns itens, essa programação se fez necessária para que tanto as animações da tela funcionem quanto para que sejam geradas variáveis que serão utilizadas posteriormente pela controladora. A programação dos eventos para cada botão é realizada através da área 9 com o item que foi programado selecionado. Podem ser gerados eventos no momento em que o botão é pressionado ou no momento em que o botão é liberado, através dos campos Touch Press Event ou Touch Release Event.

A linguagem de programação do display é similar a Linguagem C++, com comandos específicos do fabricante.

A programação do dispositivo ESP32 foi realizada através da Integrated Development Environment (IDE) do Arduino em sua versão 1.8.8, que a partir deste capítulo do trabalho será referida somente como IDE e encontrado gratuitamente para download no site: https://www.arduino.cc/en/Main/Software

A interface da IDE por padrão é dividida em duas áreas, void setup() onde são colocados os códigos de dados iniciais do programa, ou seja, aqueles códigos que precisam ser executados apenas uma vez. E a área void loop() onde fica a parte executável do programa, aquele ciclo que deve-se repetir automaticamente e initerruptamente durante o dispositivo permanecer ligado.

Para realizar a comunicação de qualquer dispositivo com essa IDE é necessário selecionar a placa no menu ferramentas e submenu placa, mas como o dispositivo ESP32 é de um fabricante diferente ao Arduino, esta placa inicialmente não pôde ser encontrada nesse submenu, então é necessário um ajuste inicial antes da seleção da placa. Este ajuste consistiu em adicionar o endereço da espressif nas páginas adicionais para gerenciamento de placas no menu preferências, aba configurações, a tela de preferências e o local onde deve ser inserida o endereço de busca, e o endereço adicionado foi: https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json.

Com essa configuração realizada foi ajustada a porta de comunicação através do menu Ferramentas e submenu Porta, para este caso foi utilizada a porta USB COM7, mas isso pode mudar para cada computador em que estiver sendo programado o dispositivo. Então após a comunicação testada a programação seguiu-se com a linguagem da plataforma do Arduino, cujo códigos e exemplos de aplicação dos códigos podem ser encontrados no próprio site, no endereço: https://www.arduino.cc/reference/en/

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O programa foi dividido em três áreas: Área 1 – Cabeçalho e Inicialização, Área 2 – Void setup () e Área 3 – Void Loop() – Ciclo de trabalho do dispositivo, que neste trabalho é referido como loop principal.

Embora foi utilizada a IDE do Arduino para a programação do dispositivo ESP32, algumas de suas bibliotecas não são as mesmas, devido as particularidades de cada dispositivo.

Para essa biblioteca somente foram necessários comandos na área de declaração de variáveis e os comandos foram o #include <OneWire.h> para a chamada da biblioteca, depois para definir o pino do dispositivo ESP32 seria utilizado para a comunicação foi utilizado o comando #define ONE_WIRE_BUS_PIN nº do pino e por fim o OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS_PIN) para concluir o ajuste.

Para essa biblioteca somente foram necessários comandos na área de declaração de variáveis e os comandos foram o #include <OneWire.h> para a chamada da biblioteca, depois para definir o pino do dispositivo ESP32 seria utilizado para a comunicação foi utilizado o comando #define ONE_WIRE_BUS_PIN nº do pino e por fim o OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS_PIN) para concluir o ajuste.

Neste caso foram necessárias declarações iniciais na área 1 do programa e também ajustes na área 2 do void setup(). Na área 1, através do #include <DallasTemperature.h>, realizou-se a chamada da biblioteca, em seguida foram utilizados comandos específicos dessa biblioteca, sendo DallasTemperature sensors(&oneWire), para definir que a rede de sensores estão conectados ao pino 13 do ESP32, conforme configurado na biblioteca OneWire.h. E por fim dos ajustes na área 1 através do comando DeviceAddress nome do sensor = {endereço do dispositivo na rede} foram definidos os endereços dos dispositivos na rede.

Na área void setup(), foram utilizados os comandos sensors.begin(); para realizar a inicialização dos sensores e sensors.setResolution (nome, resolução em bits), para ajustar a resolução desejada dos sensores, que neste caso foi escolhido por 10 bits de resolução.

Essa biblioteca exigiu sua chamada na área 1 através do comando #include <Servo.h>, então através da declaração de uma variável constante estática e inteira foi informado o pino utilizado para controle do servo, para essa declaração utilizou-se do comando static const int nome da variável = n° do pino. Após a biblioteca chamada e pino definido, através do comando específico servo nome do motor, foi realizada a declaração do nome que cada motor será chamado no loop principal.

Ambas as bibliotecas foram utilizadas para a operação do dispositivo RTC DS3231, então suas configurações estão descritas juntas. Primeiramente através dos comandos #include<Wire.h> e #include”RTClib.h” as bibliotecas foram chamadas. O comando específico da biblioteca RTClib, RTC_DS3231 rtc, é o comando que realizou a ativação dos comandos desse dispositivo. No void setup(), foram utilizados os comandos Wire.begin(25,33), para informar em quais pinos do ESP32 estão conectados os pinos SDA e SCL respectivamenteo do dispositvo RC DS3231. Logo em seguida, utilizou-se um delay(3000), para aguardar a inicialização por completa do dispositivo. Por fim, através de uma função condicional if (rtc.lostPower()) o comando específico da biblioteca RTClib, rtc.adjust(DateTime(2019,2,22,11,40,0)) realizou o ajuste da data e horário do sistema do dispositivo na ordem (ano, mês, dia, hora, minutos, segundos). Uma vez esse ajuste realizado no setup, somente será realizado outro ajuste de data e hora no caso da bateria do dispositivo esvaziar-se ou for removida, caso contrário devido função rtc.lostPower(), dentro da função condicional

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if, esse loop não será executa e então é utilizado os dados da memória do próprio dispositivo RTC DS3231.

Essa foi a biblioteca de maior complexidade usada. Foram necessárias várias etapas de configurações, estão apresentadas a seguir as configurações do objeto de número referente a temperatura externa e um botão referente ao botão de ON/OFF do ventilador e para todos demais objetos da IHM que possuem interação com o ESP32 foram seguidas essas mesmas configurações. Na área 1 a biblioteca foi chamada pelo comando #include <Nextion.h>. Para a programação dos objetos foi importante trabalhar em conjunto com o software Nextion Editor, pois foram necessárias as informações página, id e objname de cada um dos objetos. Para cada tipo de objeto da IHM existem as suas devidas funções específicas da biblioteca. Para declaração do obejto número utilizou-se a função NexNumber nome do número = NexNumber (página, id, “objname”). Para a declaração do botão de dois estados referente ao ligar/desligar do ventilador foi utilizado a função NexDSButton nome do botão = NexDSButton (página, id, “objname”). Então é através desses nomes declarados dos objetos, que estes foram chamados no loop principal posteriormente. Após declarados os objetos, foi declarada uma variável do tipo char chamada buffer, essa variável é usada automaticamente pela própria biblioteca para armazenamento dos nomes aos quais foram aplicados nos objetos. O comando NexTouch *next_listen_list[] , é o responsável por reconhecer quando o display é tocado. Por fim foram declarados os nomes dos objetos que serão utilizados no loop principal através de uma variável do tipo unsigned long. Por fim, no void setup() é utilizado o comando nexInit[ ], para inicializar a biblioteca.

Após todas as configurações iniciais do programa e testados todos os componentes, foi elaborada a programação do loop principal.

Na sequência das configurações iniciais realizadas, inicia-se a captura de informações para a tomada de decisões

Para a captura de cada informação oriunda do display, seja, um valor de número, texto ou estado de botão foram necessárias as declarações de suas devidas variáveis nas áreas 1 de cabeçalho e declarações e área 2 do void setup(), para somente então fazer o armazenamento dessas informações capturadas em suas respectivas variáveis.

Para o controle de temperatura no interior da cabine, primeiramente foi necessário realizar a medição das temperaturas.

Como o controle de temperatura é realizado pelo controle do volume de ar que passa pela serpentina fria do AC, é a comparação entre a temperatura interna da cabine e o setpoint de temperatura que determina a posição do servo motor da mistura do ar, assim a diferença entre setpoint e média das temperaturas internas foi nomeada como Condição de Temperatura, é esse valor que determina qual condição de controle o sistema vai operar no momento.

Então, baseado no ajuste do AC mecânico e de maneira a simplificar o comando, o controle foi dividido em 4 condições.

A condição 1 ocorre quando a condição de temperatura permanece entre -5 e 0, por exemplo, um setpoint de 20°C e a temperatura interna igual a 23°C resultando na variável condição de temperatura igual á -3, com o sistema operando com abertura do motor em 50%. Essa condição significa a situação em que a temperatura da cabine está um pouco acima da temperatura desejada, exigindo esse ajuste do sistema.

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A condição 2 demonstra a situação em que a cabine está com a temperatura muito maior do que a desejada, por exemplo um setpoint de 20°C e a média das temperaturas internas de 32°C, resultando uma Condição de temperatura de -12, operando o sistema com abertura do motor à 100%.

Ao contrário das condições 1 e 2 a condição 3 ocorre quando a temperatura no interior da cabine está muito menor do que a desejada, em dias de frio, por exemplo, um setpoint de 22°C e a média das temperaturas internas de 12°C, resultando em uma condição de temperatura de 10 com sistema operando com motor à 20%, fazendo com um volume maior de ar quente adentre ao veículo, aquecendo a cabine.

Por fim, a condição 4 ocorre quando a temperatura do interior da cabine está inferior a desejada, entretando, uma diferença inferior á condição de temperatura de 5, por exemplo, um setpoint de 22°C e a média das temperaturas internas de 20°C, resultando em uma condição de temperatura de 2 com sistema operando com abertura do motor a 50%.

Para a confecção da placa de circuito impresso foi elaborado o desenho no software proteus versão 8.0, desenhando primeiramente o diagrama no módulo ISIS, Figura 4, posteriormente elaborado o desenho da placa no módulo ARES, e por fim a ferramenta 3D do software do proteus permitiu a visualização dos componentes conforme Figura 4.

Figura 4 – Projeto da placa no Isis do Proteus

Fonte: Autores

Foi utilizado uma bateria de motocicleta e um multímetro já ajustado para medir tensão contínua, os polos negativo e positivo da bateria foram ligados ao borne da placa, as pontas de prova do multímetro foram ligados a cabos que estavam conectados aos pinos gnd e de 5V que iriam alimentar o ESP32, o multímetro comprovou que na saída de tensão realmente era 5V.

Primeiramente foi utilizado o Monitor Serial da IDE para verificar o status de cada componente.

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O teste de aferição das temperaturas foi realizado através da medição de temperaturas em recipientes com água simultaneamente com os sensores do dispositivo e com termômetros calibrados, com o objetivo de aferir se as temperaturas medidas pelo sistema estão corretas. A utilização dos recipientes com água foi necessária para evitar influências de vento no local de medição já que os dispositivos utilizados apresentam alta sensibilidade.

O sistema permaneceu ligado ininterruptamente por 48 horas, sendo realizadas leituras e seus registros às 08:00 horas, 12:00 horas e 18:00 horas.

Os registros realizados foram data e hora da leitura, temperaturas dos termômetros 1 e 2, temperaturas interna e externa indicadas na IHM.

O termômetro 1 referiu-se a aferição dos sensores 1 e 2 do sistema, que indicam a temperatura interna da cabine e o termômetro 2 realizou a aferição do sensor 3 responsável por indicar a temperatura externa ao veículo.

Baseado na fundamentação teórica de que o controle de temperatura no interior de um veículo é controlado pelo volume de ar que atravessa a evaporadora do sistema de AC, esse teste teve como objetivo aferir a repetibilidade de posicionamento do servo motor da mistura do ar de acordo com as condições de temperatura detectadas pelo sistema.

Também, é conhecido pela prática que o acionamento ou não do modo de recirculação de ar influencia no tempo que a temperatura interna da cabine leva para atingir o setpoint, assim este também foi montado no sistema.

O teste de funcionamento e repetibilidade de posição dos servomotores consistiu em deixar o sistema ligado por 48 horas ininterruptamente e forçar as condições nos sensores nos horários de 08:00, 12:00 e 18:00, registrando a data, horário e através de fotos as posições dos servomotores.

Baseados no teste de funcionamento e seus resultados apresentados no tópico 5.1, foram necessárias modificações no diagrama eletrônico, e pequenas alterações na IHM. Essas modificações foram feitas:

•Redução de 5 servomotores para apenas dois servomotores, ou seja, permanecendo em automático a mistura do ar e acionamento da recirculação.

•Redução de 5 relés acionados para apenas 4 relés e montagem de um circuito amplificador de corrente com o transistor BC 548, utilizado como chave, para o acionamento de cada relé.

Essa modificação dos transistores para acionamento dos relés foi mantida apenas em protoboard conforme apresentado na Figura 5, devido ao tempo restante para término do trabalho.

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Figura 5 – Montagem do acionamento dos relés em protoboard

Fonte: Autores

Na IHM, os comandos para direcionamento do fluxo de ar foram removidos e o controle de velocidade do ventilador reduzido para apenas três velocidades, conforme apresentado nas figuras 6 e 7 que apresentam respectivamente as versões finais da tela 1 e tela 2 da IHM. A tela 1 é a tela inicial do sistema, apresentando apenas as temperaturas internas e externas. Quando pressionado o botão Start a tela 2 é exibida, na imagem da Figura 7 o botão do AC está pressionado e devido a isso o seu tom de cor está diferente do azul turquesa apresentado no botão da recirculação que neste momento não está acionado. Assim como quando a velocidade do ventilador é alterada a escala no centro da tela muda o seu tom de cor.

Figura 6 – Tela 1 da versão final da IHM

Fonte: Autores

Figura 7 – Tela 2 da versão final da IHM

Fonte: Autores

Assim após as alterações necessárias devido os resultados dos testes de funcionamento, foi necessário atualizar e realizar mudanças significativas no diagrama eletrônico inicial.

No diagrama da Figura 8 é possível verificar as alterações realizadas, sendo a inclusão dos Transistores Q1 à Q4, redução dos servomotores e dos relés para velocidade do ventilador.

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Figura 8 – Versão final do diagrama eletrônico do protótipo.

Fonte: Autores

RESULTADOS E DISCUSSÃO

O display Nextion funcionou corretamente sem apresentar erros, sua qualidade se demonstrou de alto nível durante toda a sua utilização. Através da utilização da biblioteca anteriormente mostrada no tópico da programação, a comunicação entre a IHM e o ESP32 ocorreu com sucesso.

Os Sensores de Temperatura DS18B21 funcionaram corretamente através da sua comunicação com ESP32 e as temperaturas apresentadas no Monitor Serial e IHM.

Relés para acionamento do Compressor e velocidades do ventilador: A conexão desses componentes diretamente com o ESP32 não ocorreu da forma como o esperado. Primeiramente devido ao módulo trabalhar com 5 Volts e o ESP32 fornece 3,3 Volts através de seus pinos. E mesmo alterando o acionamento direto para o acionamento através dos transistores BC548 e utilizando fonte externa, o ESP32 não apresentou potência suficiente para a excitação das bases dos transistores, obrigando o projeto a sofrer as alterações. Assim, para este projeto 4 relés é o máximo permitido a na instalação.

Servomotores: Quando conectado os 5 servomotores ao ESP32 o mesmo efeito da baixa potência fornecida pelo ESP32 aos relés repetiu com esses componentes. E após vários testes com o protótipo foi necessário adotar a redução de cinco servomotores para apenas dois, sendo os responsáveis pela mistura do ar e do sistema de recirculação, ou seja, aqueles que apresentam influência na temperatura interna da cabine.

De maneira geral o sistema após modificações funcionou de maneira robusta, e testado de maneira continua em dois testes de 48 horas consecutivas, sendo o teste

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de aferição das temperaturas e posteriormente no teste de posicionamento dos servomotores sem apresentar nenhum tipo de falha. Também não foram necessários ajustes de programação após o início dos testes.

Para a análise dos resultados foram elaborados os gráficos das leituras, onde a Figura 9 apresenta o gráfico dos resultados das leituras da temperatura interna e a Figura 10 os resultados das leituras da temperatura externa.

Figura 9 – Gráfico dos resultados das leituras da temperatura interna

Fonte: Autores

Figura 10 – Gráfico dos resultados das leituras da temperatura externa

Fonte: Autores

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Por fim analisando as diferenças encontradas entre instrumento calibrado, e sensores dos sistemas pode-se aplicar os cálculos de média aritmética, desvio médio e desvio padrão obtendo-se os resultados da Tabela 1.

Tabela 1 – Resultados estatísticos da aferição de temperatura Média Aritmética (° C) Desvio Médio (° C) Desvio Padrão (° C)

Temperatura interna (média entre sensores 1 e

2)

0,50 0,58 0,79

Temperatura externa (leitura direta do sensor 3)

0,91 0,35 0,49

Fonte: Autores

Com esses resultados estatísticos pode-se confirmar de que as temperaturas medidas pelo sistema estão corretas e para a temperatura interna pode-se esperar uma variação média de 0,58° C enquanto para a temperatura externa uma variação média de 0,35°C. Assim, pode-se esperar uma precisão com segurança de 1° C para a atuação do sistema.

Uma vez que no futuro se esse sistema for aplicado num veículo real, a precisão real do sistema deve levar em consideração a troca térmica com ambiente.

Observando-se os resultados pode-se perceber que os motores reagiram corretamente e moveram para a sua devida posição em 100% das manipulações, atestando assim de que o mecanismo está funcionando corretamente.

Após todas as análises e testes, o resultado final foi um protótipo de uma controladora de ar condicionado automotivo funcional em bancada, com as medições de temperatura e repetibilidade dos servomotores verificadas.

Para resumir o resultado final, a seguir nos quadros 1, 2 e 3 estão apresentados os comparativos das características, comandos e apresentações na IHM almejadas inicialmente para o projeto.

Quadro 1 – Comparativo Características previstas versus caraterísticas atingidas

Característica prevista Característica no resultado final

Tensão de operação em 12VDC 12VDC á 30 VDC com ajuste no conversor buck-boost

Conceito de controle automático de temperatura no interior da cabine.

Controle através do fluxo de ar, controlado por servo motor

Interface de Operação Sensível ao toque. Display Nextion

Medição de temperatura interna e externa a cabine

Sensores DS18B20

Conexão e controle dos seguintes periféricos: sensores de temperatura, display touch screen, relés e servo motores.

Ressalva para relés e servo motores, mas com as devidas modificações funcionaram no protótipo

Fonte: Autores

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Quadro 2 – Comparativo dos comandos previstos na IHM versus resultados atingidos

Comando Previsto Comando no resultado final

Iniciar Sistema Botão Start na primeira tela da IHM.

Liga / Desliga Ventilador Botão ON / OFF na segunda tela da IHM

Liga / Desliga Ar Condicionado Botão ON / OFF na segunda tela da IHM

Ajuste de Velocidade do ventilador. Botões + e – na segunta tela da IHM e controle de 3 velocidades

Ajuste de temperatura Botões + e – na segunta tela da IHM.

Direção do Fluxo de Ar Devido aos problemas de potência no ESP32, implementado apenas recirculação, demais direções excluidos do protótipo.

Fonte: Autores

Quadro 3 – Comparativo apresentação na IHM prevista versus resultados atingidos

Apresentação prevista Apresentação no resultado final

Temperatura Externa Parte Superior da IHM indicado por Outside

Temperatura Interna Parte Superior da IHM indicado por Inside

Representação da velocidade do ventilador.

Escala dinânica na área central da IHM de acordo com botões + e – menos ao lado esquerdo quando pressionados

Representação da direção do fluxo do ar.

Removido após modificações, permanecendo apenas recirculação do ar.

Setpoint de temperatura. Botões + e – na segunta tela da IHM.

Relógio Canto direito superior da IHM.

Fonte: Autores

Este protótipo final funcionou durante os dois testes de 48 horas ininterruptas sem apresentar erros ou falhas.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Através da realização desse projeto pode-se concluir de maneira geral que para obter sucesso em qualquer projeto técnico é fundamental a realização de um escopo do projeto de forma clara e bem definida, pois é neste escopo que deve ser mantido o foco para a conclusão de todas as etapas. Assim como, através deste escopo, devem ser escolhidos os métodos para se atingir o objetivo final.

Quanto à aplicação do ESP32, conclui-se que este embarcado é um dispositivo de fácil aplicação, considerando que pode ser programado na mesma IDE do Arduino e com linguagem muito próxima.

Entretanto foi possível concluir que ainda existem poucos materiais disponíveis para consulta sobre este dispositivo e também a maioria dos materiais encontrados, como por exemplo, em sites ou blogs da internet são materiais com exemplos de aplicações simples de um componente ou outro, ou seja, exemplos de como comunicar um sensor com o ESP32, ou um outro componente, mas apenas considerando aquele componente para o exemplo e não a aplicação do componente

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em um sistema. Assim, para cada projeto deve-se analisar a fundo cada componente, estudar as suas devidas conexões e como aplicá-los no projeto como um todo.

Ainda sobre o ESP32, o equipamento apresentou falta de potência para a conexão de todos os relés e servomotores que estavam na versão inicial do projeto, uma vez que resolvida parcialmente as questões com os relés através dos transistores BC548, pode-se concluir que este embarcado é aplicável e funcional para o sistema em questão, mas para aplicação futura é necessário o projeto de circuitos de interface entre relés e ESP32 e entre servomotores e ESP32. Neste projeto devido ao prazo, foram utilizados os transistores para a interface com os relés, mas no caso de aplicações futuras outra opção a ser considerada deve ser os opto acopladores, sendo estes um potencial para a versão definitiva.

Sobre o display Nextion, este foi o componente que mais surpreendeu durante a execução do projeto, sua programação através do software Nextion Editor é fácil e rápida. Sua sensibilidade ao toque é muito boa, apresenta robustez física para aplicações e durante todo o projeto funcionou em todas as etapas sem apresentar erros. Certamente é um dispositivo para uso profissional e pode ser aplicado a diversos tipos de projetos, como por exemplo pequenas máquinas, equipamentos automotivos e automação residencial.

Em relação aos sensores de temperatura DS18B20, estes através dos testes de aferição das temperaturas foram comprovados que apresentam funcionamento satisfatório e seu protocolo de comunicação onewire é uma excelente alternativa para utilização em projetos de maneira econômica. Basta realizar uma breve análise para este projeto, caso fossem utilizados sensores analógicos, seriam comprometidos três pinos do ESP32 apenas para a comunicação com os sensores e isso pode ser crucial para diversos projetos.

Quanto ao relógio do sistema foi aplicado o componente RTC DS3231 com sucesso, este componente se mostrou eficaz, não ocorreram atrasos ou alterações durante os testes comprovando sua funcionalidade.

Sobre o mecanismo de controle de temperatura, na versão final do protótipo tem-se um sistema funcional do controle do servomotor baseado nas medições de temperatura, e um controle simplificado com apenas funções condicionais e determinação das posições do motor.

O projeto do circuito eletrônico foi elaborado na versão inicial e posteriormente sofreu alterações para a finalização do protótipo, mas ocorreu sem dificuldades. Durante o projeto foi realizada a confecção da uma placa eletrônica para acoplar o ESP32 e o conversor Buck-Boost, comprovando que o método de confecção através da impressão e corrosão por perclorato é uma ótima alternativa para construção de protótipos, também para a confecção desta placa existiu uma preocupação estética, resolvida através da impressão da parte superior da placa, deixando o visual semiprofissional.

A programação do sistema considerando em sua totalidade não foi uma tarefa fácil, pois com a quantidade de componentes que o sistema utilizou até mesmo a posição dos laços lógicos influenciou no tempo de resposta dos componentes, mas com a metodologia utilizada de divisão em blocos tornou-se funcional, e mesmo após os testes finais do protótipo em bancada o software não sofreu alterações.

Por fim, concluiu-se neste trabalho que é possível o desenvolvimento, projeto e construção de um protótipo de uma controladora de ar condicionado automotivo com controle de temperatura automático utilizando a plataforma embarcada ESP32,

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display Nextion, sensores DS18B20 e servomotores, sendo o resultado final desta obra o sistema apresentado no tópico 4.4. Este sistema pode ser considerado o protótipo inicial para os testes com o sistema mecânico e de refrigeração, sendo esses os próximos passos para um futuro desenvolvimento.

Também, observando a fundamentação teórica, pode-se perceber que esse protótipo pode ser considerado funcional para desenvolvimentos futuros de uma controladora, desde que o sistema de troca térmica, baseie-se na vazão de ar que atravessa a evaporadora de qualquer sistema de frio, em veículos leves, pesados, e comerciais como em tratores, vans e carros fortes sendo necessário a finalização do projeto mecânico, desenvolvimento dos circuitos entre ESP32, relés e servo motores e seu correto comissionamento final.

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