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Gerenciador de consumo de energia elétrica e água com sistema supervisório web/remoto – Parte 2

Gerenciador de consumo de energia sistema supervisório
Este post faz parte da série Gerenciador de consumo de energia elétrica e água. Leia também os outros posts da série:

Esta é a segunda parte da série de artigos que descrevem um projeto de um Gerenciador de consumo de energia elétrica e água com sistema supervisório web/remoto. A série é composta de três artigos, sendo eles:

  • Parte 1 - Introduzir o leitor sobre o que consiste o projeto e apresentar o que será utilizado em seu decorrer;
  • Parte 2 - Apresentar o desenvolvimento de hardwares e a montagem dos mesmos;
  • Parte 3 - Abordar sobre o desenvolvimento de software bare metal e a solução remota utilizada, nesse caso um aplicativo mobile Android que gerencia o sistema.

Este artigo tem como base o TCC de Engenharia Elétrica dos alunos da Faculdade Politécnica de Jundiaí, formados em 2014, são eles: Jefferson dos Santos Abrahão, Neandro Anzolini, Sérgio Luiz Marchi e Vinicius de Almeida.

Pré-requisitos

Devido à abrangência deste projeto, para uma boa compreensão dos conteúdos desta série de artigos são desejados os seguintes pré-requisitos:

  • Conhecimento de linguagem de programação C;
  • Conhecimento em desenvolvimento de sistemas embarcados em geral;
  • Conhecimento de hardware e utilização prévia de Arduino e suas Shields;
  • Conhecimento das variáveis de medição de energia elétrica e consumo de água.

No que consiste esta parte do projeto?

Neste trabalho foram utilizadas algumas soluções próprias, as quais serão abordadas no decorrer desse artigo.

Esquema geral do Projeto

Esquema Geral do Projeto de gerenciamento de consumo de energia
Figura 1 – Esquema Geral do Projeto

Hardwares próprios desenvolvidos

Circuito fonte com nobreak

A fonte dispõe na saída uma tensão regulada de 9,8V e possui um circuito nobreak capaz de manter uma tensão nos terminais de saída de até 8,3V mesmos sem alimentação nos terminais de entrada.

Circuito Fonte do gerenciador de consumo de energia
Figura 2 – Circuito Fonte

Circuito sensor medidor de tensão

sensor medidor de tensão
Figura 3 – Circuito sensor medidor de tensão

O circuito do sensor de medição de tensão tem o objetivo de condicionar o sinal de saída para que ele atenda aos requisitos das entradas analógicas do Arduino: uma tensão positiva entre 0V e a tensão de referência ADC (Conversor Analógico-Digital). O circuito condicionador tem de converter o sinal de saída do transformador para uma forma de onda que tenha um pico positivo inferior a 5V e um pico negativo maior que 0V. Para isso é escalonada para baixo a forma de onda e adicionado uma compensação para que não haja componentes negativos. A forma de onda pode ser reduzida, utilizando um divisor de tensão através dos resistores R1 e R2 ligados dos terminais do transformador. E o deslocamento do sinal pode ser adicionado utilizando uma fonte de tensão criada por outro divisor de tensão com os resistores R3 e R4 ligados através de alimentação do Arduino, como mostra a figura 4.

Sinais condicionados do circuito medidor de tensão
Figura 4 – Sinais condicionados do circuito medidor de tensão

Circuito sensor medidor de corrente

Circuito sensor medidor de corrente do gerenciador de consumo de energia
Figura 5 – Circuito sensor medidor de corrente

Assim como o circuito de medição de tensão o circuito de medição de corrente tem o mesmo objetivo de condicionar o sinal de saída para que ele atenda aos requisitos das entradas analógicas do Arduino: Uma tensão positiva entre 0V e a tensão de referência ADC (Conversor Analógico-Digital). O sensor de corrente ECS1030-L72 utilizado dispõe um sinal de corrente na saída, e o mesmo é convertido para um sinal de tensão com o resistor de carga R5. O resistor de carga R5 pode ser calculado através da relação entre a componente DC de 2,5V e a corrente de pico do secundário do TC. Segundo o datasheet o transformador de corrente possui uma relação de voltas de 1:2000 espiras entre primário e secundário. Utilizando o valor máximo de medição do TC conforme especificação, de 30A, é possível calcular a corrente de pico no primário, obtendo o valor de 42,3A. Dividindo o valor da corrente de pico do primário pelo número de voltas do secundário do TC, obtém-se o valor de 0,021A de corrente de pico no secundário. Dividindo a componente DC de 2,5V pela corrente de pico do secundário, obtêm-se o valor ideal para a resistência de carga R5 garantir uma tensão de 2,5V de pico na entrada do arduino.

Sinais condicionados do circuito medidor de corrente
Figura 6 – Sinais condicionados do circuito medidor de corrente

Teclado

O layout do teclado foi desenvolvido através do software Proteus 8 Profissional. É alimentado por uma tensão de 5Vcc que vem do arduino e possui 8 teclas com as seguintes funções: Up; Down; Left; Right; Enter; Liga/Desliga; Return e; Reset. Todas ligadas a entradas digitais do arduino. A montagem foi feita de modo “pull-down” mantendo assim todas as teclas em nível 0. Quando qualquer tecla é pressionada, é mandado um pulso de nível lógico 1 à entrada do arduino, que entende que determinada tecla foi pressionada. O teclado tem as dimensões de 105 x 60 mm.

Layout Teclado Digital
Figura 7 – Layout Teclado Digital

Shield Bluetooth

Do ponto de vista de hardware, como a transmissão serial do Arduino trabalha com nível de tensão de 5V, foi desenvolvido na placa PCI, onde o shield foi acoplado, um divisor de tensão com dois resistores antes do pino de recepção, já que o shield trabalha com 3,3V na recepção e transmissão de dados.

Processo de montagem do hardware (periféricos)

Layout do hardware do gerenciador de consumo de energia
Figura 8 – Layout do hardware

O hardware do projeto foi desenvolvido pelo software Proteus 8 Profissonal. Através do espaço disponível na caixa aonde foi montado o projeto, foram definidas as dimensões máximas para o hardware, já contendo todas as partes dos circuitos acopladas em uma única placa (circuito fonte com nobreak, circuito sensor medidor de tensão, circuito sensor medidor de corrente, circuito sensor de fluxo de água e circuito bluetooth). O hardware tem as dimensões de 108 x 68 mm.

Placa de periféricos montada do gerenciador de consumo de energia
Figura 9 – Placa de periféricos montada

Próximos passos

No próximo artigo desta série serão vistos em detalhes o desenvolvimento do software bare metal e a solução remota utilizada nessa aplicação. Enfim, o conceito proposto inicialmente, prototipado e finalizado.

Outros artigos da série

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Pedromakegam
Pedro Vanderlan Santana
02/08/2016 12:07

Olá tem como disponibilizar os circuitos no formato do fritzing, proteus ou uma imagem com qualidade superior?

Pergunto pq as imagens estão com a resolução ruim.

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