5

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.

6

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).

7

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.

8

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.

9

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

10

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

11

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

12

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.

13

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

14

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:

15

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:

16

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;

17

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

18

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.

19

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.

20

4. REFERÊNCIAS

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(2015). Desperdício de energia gera perdas de R$ 12,6 bilhões. Disponível em:

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10 jun. 2017

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Cetinkunt, Sabri, Mecatrônica. Rio de janeiro: LTC, 2008. 1-2 p.

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21

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PEREIRA, F. Eficiencia Energetica na Arquitetura. 3ª. ed. Rio de Janeiro:

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22

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VIANA, N. A. et al. Eficiência Energética Fundamentos e Aplicações. 1ª. ed.

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