Dispositivo de controle automático de iluminação

Dispositivo de controle automático de iluminação

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VITÓRIA - ES Fevereiro/2006

Parte manuscrita do Projeto de Graduação do aluno Thiago Negrelli, apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, para obtenção do grau de Engenheiro Eletricista.

VITÓRIA – ES Fevereiro/2006

Orientador

Prof. Dr. Cícero Romão Cavati.

Prof. Dr. Getúlio Vargas Loureiro, PhD Examinador

Eng. Victor Pardal Examinador

Vitória - ES, fevereiro de 2006.

Aos amigos Johnny Sperandio, Renato Bertoldi, Jelbener Vinicius dos Santos Azeredo e Thiago Zambom, que foram companheiros nesses longos e difíceis anos de graduação.

Agradeço primeiramente a Deus, que está presente em todos os momentos da minha vida.

A Graça, Ademar, Priscila e Poliana; pela paciência, compreensão e carinho. A Cícero Cavati, pela orientação. A todas as pessoas que contribuíram para que esse trabalho fosse realizado.

Figura 1 - Luz natural x luz artificial8
Figura 2 - Programação e atuação9
Figura 3 - LDR12
Figura 4 - Relé de 10 A e 12 V13
Figura 6 - Circuito simplificado com principais funções15
Figura 7 - Imagem do protótipo construído16
Figura 8 - Curva característica do LDR18
Figura 9 - Experimento para medir a curva do LDR19
Figura 10 - Circuito para o Acondicionamento de Sinal20
Figura 1 - LM 32421
Figura 12 - LDR aberto e nível de tensão zero na saída2
Figura 13 - Incidência média de luminosidade e saída 2 V23
Figura 14 - Incidência máxima de iluminação e LDR praticamente como curto24
Figura 15 - Diagrama dos pinos do PIC16F877A28
Figura 16 - Teclado e display32
Figura 17 - Conector DB25 fêmea para comunicação com display e teclado32
Figura 18 - Cabo de conexão do teclado / display com PIC3
Figura 19 - Funcionamento interno do teclado34

LISTA DE FIGURAS Figura 5 - Diagrama geral do sistema que contempla a construção de um protótipo.14 Figura 20 - Testes no protoboard. ............................................................................. 36

iv

DETICATORIAI
AGRADECIMENTOSI
LISTA DE FIGURASI
SUMÁRIOIV
RESUMOIV
CAPITULO 1 - INTRODUÇÃO5
1.1 OBJETIVO5
1.2 CONSIDERAÇÕES GERAIS EM ILUMINAÇÃO5
1.3 DISPOSITIVOS ELÉTRICOS10
CAPITULO 2 – METODOLOGIA13
2.1 DESCRIÇÃO GERAL13
2.2 SINAL16
2.3 ACONDICIONAMENTO DE SINAL19
2.4 ATUADOR E CARGA23
2.5 ALIMENTAÇÃO24
2.6 MICROCONTROLADOR PÍC24
2.7 INTERFACE – TECLADO E DISPLAY30
CAPITULO 3 – TESTES35
CAPITULO 4 – CONCLUSÃO E TRABALHOS FUTUROS37
4.1 CONCLUSÕES37
4.2 TRABALHOS FUTUROS38
ANEXO A39
ANEXO B45

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um dispositivo eletrônico para realizar o controle automático de circuitos de iluminação. O desenvolvimento deste dispositivo abrange tanto hardware como software básico.

O hardware compreende os módulos de aquisição e acondicionamento de sinal, supervisão, controle e atuação. Já o software compreende a monitoração, supervisão e o controle.

A solução adotada usa microcontrolador da família PIC, o qual receberá tanto o sinal referente ao nível de iluminação do ambiente quanto a configuração via interface de entrada para interpretar, atuar e, conseqüentemente, iluminar o ambiente adequadamente.

Para tanto, foi construída uma placa de circuito impresso para desempenhar a função de controle, utilizando-se principalmente os componentes fotoresistor do tipo LDR, microcontrolador PIC 16F877A e relé.

Neste Capítulo são apresentados os objetivos do trabalho bem como algumas considerações gerais sobre iluminação e sobre os dispositivos eletrônicos a serem utilizados no projeto.

1.1 Objetivo

Desenvolver e implementar um estudo de um hardware para fins de controle automático de iluminação microprocessado, utilizando microcontrolador da família PIC e dispositivo fotoresistor do tipo LDR para acionamento dos dispositivos de iluminação, especialmente em iluminação pública ou externa, conforme o nível de iluminação natural do ambiente, tendo também o seu controle temporizado de acordo com os horários préestabelecidos.

1.2 Considerações Gerais em Iluminação

A Iluminação Pública (IP) no Brasil corresponde a aproximadamente 7% da demanda nacional e a 3,5% do consumo total de energia elétrica. Estimase que as redes de IP possuam cerca de 14,5 milhões de pontos e totalizem uma potência instalada da ordem de 2.471 MW, equivalente a um consumo anual de 10.674 Gwh/ano, segundo dados do último balanço energético da ELETROBRAS / PROCEL.

Existe, portanto, uma necessidade de controle mais eficiente deste setor. Uma das necessidades situa-se na monitoração de sinais de luminosidade juntamente com os horários desejáveis de iluminação em circuitos de iluminação externa ou interna.

Atualmente, quando se deseja controlar o período de permanência com luzes acessas ou apagadas, utilizam-se as Células Fotoelétricas convencionais.

Este tipo de sensor apresenta problemas com facilidade, ocasionando inconvenientes como lâmpadas apagadas ou acesas o tempo todo e custos com trocas e manutenção.

Assim, é desejável se ter um dispositivo com maior confiabilidade sem que o custo seja comprometido.

Neste trabalho, apresenta-se a proposta de trocá-los por Sensores

Ópticos, junto a um sistema microcontrolado, tendo dessa forma um sistema mais flexível, confiável e econômico.

O sensor óptico apresenta um custo ligeiramente maior do que as células fotoelétricas, porém com algumas vantagens. Entre os destaques deste tipo de detecção estão:

• Não requer contato físico; • Sensível a todos os tipos de materiais;

• Vida útil elevada;

• Boa distância sensora;

• Excelente repetibilidade e tempo de resposta;

Com o uso do Sensor Óptico, ter-se-á um dispositivo comandado por um fotoresistor LDR sensível a luz. Este dispositivo terá a finalidade de acionar um contato todas as vezes que houver uma variação na iluminação natural superior aquela para a qual foi calibrado. Os LDRs, são extremamente simples, compactos e confiáveis.

A importância do controle microprocessado pode ser vista em aplicações bastante eficientes e econômicas, tanto em ambientes internos quanto externos.

Em ambientes internos, por exemplo, os sensores podem ser programados para controlar o fluxo luminoso a ser gerado pela iluminação artificial. Durante várias horas do dia as luminárias próximas às janelas poderão estar desligadas, por exemplo. Porém, as luminárias localizadas no centro do ambiente emitirão apenas parte do seu fluxo luminoso total. Durante a noite, todas as luminárias emitirão seu fluxo luminoso total. A figura 1 mostra um ambiente em que próximo à janela durante o dia, tem-se uma iluminação natural intensa, não necessitando de iluminação artificial. Como a iluminação natural diminui conforme se afasta da janela, faz-se necessário uma iluminação artificial adequada.

Figura 1 - Luz natural x luz artificial

Como pode ser notado, quanto mais a luz natural está presente, menor o nível de iluminação necessária no ponto de iluminação.

Com o controle microprocessado aliado às células fotoelétricas, conseguem-se reduções de até 60% no consumo de energia elétrica em iluminação em ambientes internos. São equipamentos de custo inicial elevado, mas que se justificam plenamente em grandes edificações, devido principalmente à redução no consumo de energia ao longo de sua vida útil.

Em ambientes externos, os sensores podem ser programados para seguir tanto a iluminação natural quanto um tempo pré-estabelecido. Como exemplo pode-se ver um ponto de luz sendo controlado como mostra a figura 2.

Figura 2 - Programação e atuação

Note-se que, na Figura 2 tem-se a seguinte programação para o controle de iluminação:

• Num dia típico, o ponto de iluminação será ligado, por exemplo, às 18 h (quando anoitece, Ponto A), permanecendo em operação até às 23:30 h, quando será desligado (Ponto B).

• Aproximadamente às 05:0 h da madrugada (quando se iniciam as atividades diurnas), a iluminação é novamente ligada (Ponto C).

• Finalmente, ao amanhecer, (Ponto D), tem-se o desligamento definitivo da lâmpada.

• Assim, o ponto de iluminação ficará em funcionamento, em cada noite, por 6:30 h ao invés das 12 horas convencionais.

Num ambiente industrial, por exemplo, pode-se fazer um controle mais eficaz da iluminação com o uso dos sensores microcontrolados. Em determinadas horas do dia algumas áreas não necessitam de iluminação total, podendo-se desta forma iluminá-las parcialmente e assim diminuir a potência consumida com a iluminação.

Assim é desejável que se disponha de outras formas, que não seja o uso de fotocélulas convencionais para se alcançar melhores benefícios, tanto econômicos e segurança como de confiabilidade. [CAVATI, 2004].

Este projeto vai ao encontro desta busca de solução para enfrentar este desafio.

O Programa PROCEL, o programa do governo federal, vinculado ao

Ministério de Minas e Energia, tem como objetivo promover o combate ao desperdício de energia elétrica no País.

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