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1. INTRODUÇÂO
O tema escolhido encontra-se no contexto da mecatronica, por contemplar de
maneira simultânea as áreas da mecânica, computação e eletrônica. Segundo
Cetikunt (2008).
A mecatrônica é formada pela integração sinergética de três áreas distintas e tradicionais com procedimentos de projetos de sistemas. Essas três áreas são: 1 – a engenharia mecânica, que deu origem ao elemento “meca” da
palavra. 2 – A Engenharia Elétrica ou Eletrônica, de onde vem o elemento “trônica”. 3 – Ciência da computação. (Cetinkunt, 2008)
É relevante a necessidade de otimizar processos que contribuem com a
eficiência energética, envolvendo a mecatrônica, devido ao crescimento
populacional e ao aumento da utilização da energia eletrica, afim de fazer com que o
Brasil acompanhe as tecnologias de ponta presente em outros países.
Figura 1 – População Brasileira
Fonte:(Tiberiogeo, 2010 )
Atualmente o país se encontra com 206,08 milhões de habitantes, baseado
nos dados divulgados pelo Portal do Brasil a cidade de São Paulo, segue sendo a
mais populosa do país, com uma população de 12,04 milhões, representando 5,8%
da população nacional, em seguida vem a cidade do Rio de Janeiro com 6,5
milhões, Brasília - Distrito Federal 2,98 milhões, Salvador 2,94 milhões, Fortaleza
2,61 milhões, Belo Horizonte 2,51 milhões e Manaus 2,09 milhões.
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O projeto tem sua relevância por contemplar a economia de energia,
permitindo que o dispositivo de controle venha ser utilizado em várias aplicações,
sendo elas em instituições de ensino, empresas, residência, além de contribuir para
o desenvolvimento econômico e tecnologico do país. De acordo com Pereira (2014):
A otimização no consumo de energia elétrica acarreta não só a economia
de recursos financeiros, mas também a preservação dos estoques de água das regiões. Tal otimização pode proporcionar uma melhora no manejo do ciclo hidrológico brasileiro, pois 70,6% da energia produzida no Brasil é
obtida via hidrelétricas.
No ano de 2015 a Associação Brasileira de Empresas de Serviço de
Conservação de Energia (Abesco) juntamente com a Folha de São Paulo relatou
que, em 2014, o Brasil desperdiçou cerca de 10% de toda energia produzida em
solo nacional, equivalente a 12,64 bilhões de reais.
Segundo o presidente da Abesco, Rodrigo Aguiar, toda a energia
desperdiçada durante o ano de 2014 representa o consumo dos estados de
Pernambuco e Rio de Janeiro durante o período de um ano.
O desperdício da energia elétrica resulta em muitos prejuízos ao país, sendo
um dos principais, as usinas para produção de energia que não será definitivamente
utilizada.
Figura 2 – Energia pelo ralo
Fonte: (Folha de São Paulo, 2015).
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Com base nos dados fornecidos pela Folha de São Paulo, conforme a figura 2
podemos ver o crescimento anual de desperdicios em território nacional o que gera
gastos desnecessarios e que poderiam ser utilizados em outros setores do país.
Tabela 3 – Fatores da eficiência energética
Fonte: Póvoa, (2015)
Segundo o engenheiro eletricista Póvoa (2014. p. 11) a iluminação responde
por aproximadamente 23% do consumo de energia elétrica no setor residencial, 44%
no setor comercial e serviços públicos e 1% no setor industrial.
1.1 Objetivo Geral
Desenvolver um dispositivo eletrônico para aumentar a eficiência energética
na instalação elétrica em salas de aula da Fatec Garça diminuindo desperdício de
energia elétrica ocasionada por má utilização de todos equipamentos elétricos da
instituição.
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1.2 Objetivos Específicos
Desenvolver e testar um dispositivo que proporcione uma redução
significativa no consumo energético.
Realizar o desenvolvimento de um dispositivo que tenha seu custo/benefício
baixo.
Verificar a funcionalidade do sistema proposto.
Integrar sensores de presença, sensor de luminosidade, horários
programáveis de funcionamento;
Projetar placa de circuito impresso;
Desenvolver a programação em linguagem C, para executar a lógica
proposta;
Projetar maquete didática para demonstrar a proposta.
1.3 Relevância do Projeto
É de grande relevância, pois aumenta a eficiência energética, diminuindo o
consumo de energia elétrica.
Em diversas escolas assim como na Fatec de Garça é possível observar
desperdícios de energia em iluminação por uso indevido dentro do horário de aula e
fora do horário de aula ocasionados por esquecimento das luzes acesas pelo
pessoal da limpeza (fora de horário e principalmente durante a manhã e tarde) e
pelos alunos e professores (dentro do horário de aula), sendo as luminárias
esquecidas ligadas sem haver pessoas na sala de aula.
Os equipamentos existentes no mercado para controle de presença baseiam-
se apenas na presença sem considerar horários ou iluminação natural existente.
A possibilidade de se utilizar diversos algoritmos de controle para diversas
situações dos parâmetros de entrada e aplicação, como por exemplo, sala de aula e
corredores.
Uma sala de aula com as luzes acesas por uma hora durante um dia
representa um consumo de energia em torno de 15 kWh / mês. Considerando 24
salas na Fatec Garça, é possível uma economia de 342,14 kWh / mês.
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1.4 Metodologia
É o desenvolvimento experimental de um protótipo para verificar a viabilidade
e a eficácia do projeto.
2. DESENVOLVIMENTO
2.1 Revisão de literatura.
Esta parte apresenta os conceitos teóricos utilizados para o desenvolvimento
do projeto proposto, e uma descrição e justificativa de uso dos materiais inclusos.
2.1.1 Automação e controle
O controle de processos industriais permite ao sistema uma maior
confiabilidade de resultados, maior segurança, maior eficiência e,
consequentemente, mais economia no resultado final. Estes métodos de controle,
depois de comprovados sua eficiência, foram trazidos às residências pela
automação residencial.
2.1.1.1 Controle de malha fechada
Existem dois tipos de Controle, malha aberta ou malha fechada. Malha aberta
a saída não tem efeito na ação de controle, um exemplo seria uma máquina de lavar
roupa, onde a lavagem é somente executada, sem a verificação da limpeza de
roupas.
Malha fechada a saída possui um efeito direto na ação de controle. A saída é
realimentada no sistema e comparada com seu valor anterior, reduzindo o erro
tendendo a um nível desejado. Um exemplo seria um sistema térmico onde um ser
humano controla uma válvula de saída de vapor que aquece a água, que é então
analisada por um termômetro. Com a redução da temperatura da água, o usuário
abre mais a válvula para que o vapor a esquente novamente.
Esta operação é um controle de malha-fechada manual, onde o valor de
temperatura final é analisado pelo ser humano. Compara o valor de saída com o
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ideal e ajusta a válvula de acordo com o erro. O usuário poderia ser substituído por
um controlador automático, de forma análoga: os medidores de erros substituiriam
os olhos do operador, seu cérebro equivaleria ao controlador automático e seus
músculos o atuador (OGATA, 2003).
2.1.2 Eficiência Energética.
Eficiência energética constitui a base do projeto. No Brasil, muitas são as
instituições que lidam com o tema de eficiência energética, assim como existem
algumas leis e decretos responsáveis por regulamentar esta prática no país.
Atualmente a lei de eficiência energética que foi sancionada em 2001 e estabelece
níveis máximos de consumo e mínimos de eficiência energética para equipamentos
fabricados e comercializados no país. Assim, equipamentos menos eficientes são
retirado do mercado a médio e longo prazo, o desenvolvimento tecnológico de
práticas eficientes é incentivado e o gasto final dos consumidores é reduzido.
Baseado nestas informações o projeto busca a eficiência energética na
iluminação, reduzindo consumo de forma inteligente. (VIANA, BORTONI, et al.,
2012)
2.1.3 Linguagem de programação.
As instruções executadas pela máquina são de baixo nível, compreensíveis
por computadores. Geralmente reduzidas a 0 e 1. No processo de desenvolvimento
das tecnologias dos computadores, os programadores começaram a utilizar
comandos que executavam sequências maiores em linguagens de máquina. Estes
comandos formaram a base da linguagem assembly, utilizada por programas
tradutores para converter comandos em linguagem de máquina.
Com a popularização dos computadores, foram desenvolvidas linguagens de
alto nível para acelerar o processo de tradução. Programas escritos em linguagem
de alto nível por programadores são compreensíveis pelo ser humano, onde
instruções únicas poderiam ser escritas para realizar tarefas substanciais.
Programas tradutores chamados de compiladores convertem os programas de
linguagem de alto nível em linguagem de máquina. Linguagens como o C, C++, C# e
Java são exemplos destas linguagens. A compilação deste tipo de linguagem pode
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consumir uma quantidade considerável de tempo do computador e para isso
programas interpretadores foram desenvolvidos para executá-las diretamente, sem o
tempo de compilação (BARRETO, 2015).
2.1.3.1 Linguagem “C”.
Implementada em 1972 por Denis Ritchie. Se popularizou quando foi usada
no desenvolvimento do sistema operacional UNIX. O C é uma das linguagens mais
populares de hoje em dia pela sua facilidade de entendimento e vantagem de
compilação em várias plataformas, influenciando muitas outras linguagens de
programação. A extensão C++ foi desenvolvida por Bjarne Stroustrup no início da
década de 1980 com o objetivo de “sofisticar” a linguagem C e a fornecer a
capacidade para a programação orientada a objetos (DEITEL e HARVEY, 2010).
A linguagem C tem como função facilitar o acesso ao hardware.
2.1.4 Materiais utilizados
Esta parte é reservada para o detalhamento dos materiais utilizados no
projeto e sua função
2.1.4.1 Transformador 220V 12V
Um dispositivo magnético que utiliza o princípio do fenômeno da indutância
mútua para elevar ou reduzir uma tensão. São utilizados na geração e transmissão
de energia em corrente alternada. Este possui uma bobina diretamente ligada a
fonte de tensão, geralmente 110V ou 220V, chamada enrolamento primário e uma
bobina ligada a carga, chamada de enrolamento secundário. A tensão de saída na
carga já é reduzida pelo fator específico de cada transformador.
Ainda existem transformadores com uma derivação central no secundário,
utilizados com circuitos retificadores para se obter duas tensões de mesma
amplitude, defasadas em 180°.
O projeto utiliza um transformador abaixador de tensão de 220V para 12V.
2.1.4.2 Sensor de Presença
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Os sensores que detectam a presença de pessoas disparando alarme,
abrindo portas ou simplesmente tocando um sinal de aviso estão cada vez mais
presentes em muitos locais por onde passamos. Aproveitando as propriedades
piroelétricas de certos materiais, esses sensores consistem numa solução sensível e
barata para a detecção de pessoas pelo calor de seu corpo. (CETINKUNT, 2008).
O Projeto utiliza 2 sensores de presença que tem a função de detectar
pessoas dentro da sala.
2.1.4.3 LDRs
Light Dependent Resistors, resistor dependente de luz ou fotoresistência. É
um componente eletrônico passivo do tipo resistor variável, mais especificamente, é
um resistor cuja resistência varia conforme a intensidade da luz que incide sobre ele.
Quanto maior o sensor, maior a capacidade de controlar correntes mais
intensas, um modo de maximizar a superfície sensível, é formar uma estrutura de
ziguezague com os eletrodos.
Aplicado em sistemas automáticos de iluminação ambiente, alarme de
passagem ou sensores de objetos.
O protótipo em questão terá uma função importante, pois será responsavel
por sensoriar a luminosidade do ambiente. (BRAGA, 2012)
2.1.4.4 – Micro controlador
Um micro controlador é um componente que apresenta, além da CPU, as
memórias RAM e ROM, interfaces para entrada e saída de periféricos paralelos ou
seriais e, opcionalmente, temporizadores e contadores, todos integrados em uma
única pastilha. Um micro controlador típico apresenta instruções de manipulação de
bits, dispõe de acesso fácil e direto às interfaces de entrada e saída, bem como
processa interrupções rápida e eficientemente.
O micro controlador é amplamente utilizado em aplicações voltadas para
robótica, controle e automação industrial, indústria automotiva, controle de
periféricos e equipamentos de comunicação de dados.
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Na Figura 4 é demonstrada a distribuição dos pinos no micro controlador
MC9S08SH8 da NXP.
Figura 4 – Terminais MC9S08SH8
Fonte: (Datasheet: MC9S08SH8 – NXP, 2015)
Na Figura 5 as principais caracteristicas do microcontrolador:
Figura 5 – Caracteristicas do microcontrolador
Fonte: (Datasheet: MC9S08SH8, 2015)
2.2 Metodologia do Protótipo.
O projeto é composto por um sistema principal, tendo como base o micro
controlador da marca Freescale modelo SH8, que terá como função receber os
sinais dos sensores de presença, sensor de luminosidade e o timer, fazer uma
varredura na programação verificando as lógicas e assim habilitando ou não o
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acionamento das lâmpadas. Na Figura 6 segue o esquema elétrico/eletrônico do
sistema:
Figura 6 – Esquema elétrico / eletrônico
Fonte: (Os Autores, 2017)
Método de funcionamento:
O equipamento para controle do consumo de energia da iluminação da sala
de aula ou corredores funciona controlando a o acendimento da iluminação a partir
de parâmetros de entrada, que são: o horário, a intensidade da iluminação natural e
a presença de pessoas na sala. Nas figuras 7 e 8 da placa eletrônica a primeira com
os componentes e a segunda com as trilhas de interligação:
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Figura 7 – Placa eletrônica com componentes
Fonte: Os Autores
Figura 8 - Placa eletrônica, trilhas de interligação
Fonte: Os Autores
O funcionamento do equipamento utiliza-se de uma lógica na Figura 9 segue
o fluxograma de processo:
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Figura 9 - Fluxograma de processo
Fonte: Os Autores
Sala de aula:
a) Se as luzes forem acesas fora do horário de funcionamento da unidade e a
iluminação natural estiver alta ou média intensidade, as luzes das salas não
serão acesas;
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Figura 10 - Sala com iluminação natural com presença de pessoas
Fonte: (Os
Autores, 2017)
b) Se as luzes forem acesas fora do horário de funcionamento da unidade e a
iluminação natural estiver baixa, as luzes das salas serão acesas pelo tempo
que houver movimento na sala mais 1 minuto; e
Figura 11 - Sala sem iluminação natural sem presença de pessoas
Fonte: Os Autores
c) Se as luzes forem acesas durante o horário de funcionamento da unidade e
a iluminação natural tiver alta, média ou baixa intensidade, as luzes das
salas serão acesas pelo tempo que houver movimento mais 10 minutos;
Figura 12 - Sala com iluminação natural com presença de pessoas
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Fonte: Os Autores
Corredores:
a) Se as luzes forem acesas fora do horário de funcionamento da unidade e a
iluminação natural estiver alta ou média intensidade, as luzes dos corredores
não serão acesas;
b) Se as luzes forem acesas fora do horário de funcionamento da unidade e a
iluminação natural estiver baixa, as luzes dos corredores serão acesas pelo
tempo que houver movimento no corredor mais 5 minutos.
c) Se as luzes forem acesas durante o horário de funcionamento da unidade, de
manhã ou à tarde e a iluminação natural tiver alta, média ou baixa
intensidade, as luzes dos corredores serão acesas pelo tempo que houver
movimento mais 5 minutos;
d) Se as luzes forem acesas durante o horário de funcionamento da unidade, a
noite, a iluminação natural tiver alta, média ou baixa intensidade, as luzes dos
corredores serão acesas pelo tempo que o interruptor permanecer ligado, ou
seja, o equipamento não influenciará no funcionamento.
2.3 Resultados
O projeto em andamento, protótipo pronto, realizado testes, verificado que o
mesmo satisfaz aos propósitos iniciais, pois possui um sistema que otimiza o
consumo energia elétrica, não prejudicando o bom funcionamento da iluminação na
sala de aula, ou seja, as luzes quando necessário estarão habilitadas para o uso.
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Com andamento do projeto possibilitou uma aprendizagem de tecnologias, sendo
elas:
Desenvolver e testar um dispositivo que proporcione uma redução
significativa no consumo energético.
Realizar o desenvolvimento de um dispositivo que tenha seu
custo/benefício baixo.
Verificar a funcionalidade do sistema proposto.
Integrar sensores de presença, sensor de luminosidade, horário
programáveis de funcionamento;
Projetar placa de circuito impresso;
Desenvolver a programação em linguagem C, para executar a lógica
proposta;
2.4 Dificuldades Apresentadas.
A dificuldade apresentada foi em desenvolver o algoritmo do projeto, sendo
que sua linguagem de programação em linguagem em C.
3. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conclui-se que o projeto proposto diminui significativamente o consumo de
energia elétrica, tendo como base que o dispositivo desenvolvido possui a
capacidade de ler e interpretar a quantidade de luz natural que o ambiente está
recebendo e se há movimento de pessoas ou não, podendo assim tomar decisões
como permitir ou não, que as lâmpadas acendam, assim aumentando a eficiência
energética em salas e corredores da Fatec Garça.
Entretanto ainda não houve tempo de comparar o consumo para comprovar a
eficácia do equipamento, pois não foi instalado em sala de aula.
Após a apresentação do projeto, este será instalado, e os professores serão
orientados de seu funcionamento.
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4. REFERÊNCIAS
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em: <http://repositorio.uniceub.br/bitstream/235/7579/1/21136802.pdf>. Acesso em:
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