ANALYSIS OF A PROTOTYPE OF A BEVERAGE MACHINE WITH ARDUINO SYSTEM
10.69849/revistaft/cl10202409271658
PEREIRA, Antonio Dellon da Silva1
PACHECO, Maria dos Anjos Fernandes2
RESUMO
Introdução: Máquinas de bebidas com sistema Arduino permitem a automação do preparo de diferentes tipos de bebidas, integrando sensores, atuadores e controladores para dosagem precisa e controle de temperatura. Essa tecnologia é acessível e oferece flexibilidade para ajustes personalizados no processo. Além disso, o uso do Arduino proporciona um sistema eficiente, de baixo custo e facilmente programável, viabilizando sua aplicação tanto em ambientes residenciais quanto comerciais. Objetivo: analisar um protótipo de máquina de bebidas automatizada utilizando o sistema Arduino. Metodologia: O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa do tipo estudo de caso. Resultados: os dados demonstraram precisão na dosagem de líquidos e controle eficiente da temperatura, permitindo a preparação consistente de diversas bebidas. O sistema apresentou baixo consumo de energia, especialmente devido ao uso de bombas peristálticas e sensores de fluxo. A interface de usuário foi intuitiva e funcional, facilitando o controle do processo. No entanto, foi identificado desgaste em alguns componentes após uso prolongado, sugerindo a necessidade de melhorias na durabilidade. No geral, o protótipo mostrou-se eficiente e promissor para automação de bebidas. Conclusão: Conclui-se que o protótipo de máquina de bebidas com Arduino foi eficaz na automação do preparo de bebidas, demonstrando precisão, eficiência energética e confiabilidade dos componentes. Apesar de pequenos ajustes necessários, o sistema tem potencial para aplicações comerciais e residenciais. O projeto também destaca a versatilidade do Arduino em soluções de automação.
Palavras-chave: Automação. Arduíno. Sensores. Protótipo.
ABSTRACT
Introduction: Beverage machines with the Arduino system allow the automation of the preparation of different types of beverages, integrating sensors, actuators and controllers for precise dosing and temperature control. This technology is affordable and offers flexibility for custom process adjustments. Furthermore, the use of Arduino provides an efficient, low-cost and easily programmable system, enabling its application in both residential and commercial environments. Objective: analyze a prototype of an automated beverage machine using the Arduino system. Methodology: The present study is a qualitative research of the case study type. Results: The data demonstrated precision in liquid dosing and efficient temperature control, allowing the consistent preparation of various beverages. The system had low energy consumption, especially due to the use of peristaltic pumps and flow sensors. The user interface was intuitive and functional, making it easy to control the process. However, wear was identified on some components after prolonged use, suggesting the need for improvements in durability. Overall, the prototype proved to be efficient and promising for beverage automation. Conclusion: It is concluded that the Arduino beverage machine prototype was effective in automating beverage preparation, demonstrating precision, energy efficiency and component reliability. Despite minor adjustments required, the system has potential for commercial and residential applications. The project also highlights Arduino’s versatility in automation solutions.
Keywords: Automation. Arduino. Sensors. Prototype.
1. INTRODUÇÃO
A crescente demanda por automação em diversos setores da indústria tem impulsionado o desenvolvimento de soluções inovadoras, tanto no ambiente industrial quanto no doméstico. No contexto de automação residencial e comercial, as máquinas de bebidas vêm se destacando como uma alternativa prática e eficiente para a preparação de bebidas com precisão e rapidez (Silva, 2022).
As máquinas de bebidas automatizadas estão se tornando cada vez mais comuns, especialmente em cafeterias, restaurantes e até em residências. A facilidade de uso e a capacidade de preparar diferentes tipos de bebidas de forma personalizada tornam esses dispositivos atrativos para um público que busca conveniência e eficiência. Esses sistemas permitem que usuários escolham suas bebidas, ajustem variáveis como temperatura e intensidade e, em muitos casos, operem o equipamento de maneira totalmente autônoma (Salvatierra, 2021).
O uso de tecnologias de baixo custo para automação é um tema em alta. O Arduino, plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, tem se consolidado como uma das ferramentas mais acessíveis e flexíveis para o desenvolvimento de sistemas automatizados. Suas aplicações são amplas, variando desde projetos acadêmicos até inovações em larga escala na indústria (Schuster, 2019).
A escolha do Arduino para o desenvolvimento de um protótipo de máquina de bebidas se dá principalmente por sua versatilidade e pelo fato de ser uma plataforma acessível tanto em termos de custo quanto de facilidade de aprendizado. O Arduino permite a integração de diversos sensores, atuadores e componentes eletrônicos, o que o torna ideal para projetos de automação como o proposto neste trabalho (Tubón; Sánchez, 2024).
Este projeto busca desenvolver e analisar um protótipo de uma máquina de bebidas que, através da tecnologia Arduino, seja capaz de oferecer funcionalidades básicas como a seleção de bebidas e o controle de variáveis como temperatura e volume. A análise do protótipo considera aspectos como viabilidade técnica, eficiência no preparo das bebidas e a escalabilidade do projeto para uso comercial ou residencial (Pabon, 2023).
Com o aumento da demanda por dispositivos automatizados no setor de alimentação, a implementação de máquinas de bebidas que ofereçam maior controle e personalização pode representar uma evolução significativa. O desenvolvimento de soluções como esta poderia facilitar a vida dos usuários e aumentar a produtividade de estabelecimentos comerciais, reduzindo a dependência de mão de obra humana para tarefas repetitivas (Salvatierra, 2021).
A automação através do Arduino também possibilita o uso de sensores e atuadores para monitorar e ajustar o processo de preparo da bebida. Sensores de temperatura, por exemplo, podem ser utilizados para garantir que a bebida seja preparada em condições ideais, enquanto atuadores controlam válvulas e bombas para liberar a quantidade exata de ingredientes necessários (Silva, 2022).
A adoção de tecnologias acessíveis e flexíveis como o Arduino é essencial em um cenário em que a inovação tecnológica deve ser democratizada. O custo reduzido dos componentes e a vasta comunidade de desenvolvedores ao redor do mundo tornam o Arduino uma plataforma excelente para a prototipagem e o desenvolvimento de dispositivos automatizados, como a máquina de bebidas proposta (Pabon, 2023).
O desenvolvimento de uma máquina de bebidas com Arduino envolve o uso de diversos componentes eletrônicos, como bombas para líquidos, resistências para aquecimento, sensores de nível e motores para movimentação de partes mecânicas. O desafio deste projeto está na integração eficiente desses componentes para garantir um funcionamento harmônico e confiável do protótipo (Tubón; Sánchez, 2024).
A programação do sistema Arduino desempenha um papel central no sucesso do projeto. O código desenvolvido precisa garantir que os sensores e atuadores trabalhem de maneira coordenada, respondendo adequadamente aos comandos dos usuários e ajustando os parâmetros da bebida de acordo com as preferências selecionadas (Pabon, 2023).
Além das questões técnicas, o projeto também avalia o potencial de comercialização do protótipo. O mercado de máquinas automatizadas está em crescimento, e entender a viabilidade de uma solução baseada em Arduino pode abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de produtos que sejam acessíveis e eficientes (Silva, 2022).
A interface de usuário é outro aspecto importante do projeto. A simplicidade no controle da máquina é essencial para que usuários de diferentes níveis de conhecimento técnico possam operar o dispositivo com facilidade. O Arduino, em combinação com módulos de interface como displays LCD ou touch screens, possibilita a criação de uma interface intuitiva e funcional (Tubón; Sánchez, 2024).
A escolha de desenvolver um protótipo de máquina de bebidas com sistema Arduino justifica-se pela crescente demanda por soluções automatizadas que otimizem o preparo de bebidas, oferecendo praticidade e personalização ao usuário. Em um mundo onde a eficiência e a conveniência são fundamentais, essa tecnologia não apenas reduz o tempo gasto em tarefas repetitivas, mas também possibilita a criação de bebidas customizadas de acordo com as preferências individuais. Além disso, a acessibilidade do Arduino permite que essa automação seja viável tanto para pequenos negócios quanto para o uso doméstico, contribuindo para a democratização da tecnologia e incentivando a inovação no setor de alimentação e bebidas.
Sendo assim o presente estudo tem como objetivo geral analisar um protótipo de máquina de bebidas automatizada utilizando o sistema Arduino, ao mesmo tempo como objetivo específico: (1) identificar os componentes eletrônicos em sistema automatizados; (2) descrever a automação no setor de alimentos e bebidas; e por fim (3) verificar a programação do sistema Arduino para permitir a seleção de bebidas e o controle de variáveis
2. REFERENCIAL TEÓRICO
2.1 Componentes Eletrônicos em Sistemas Automatizados
Os componentes eletrônicos são a base fundamental de qualquer sistema automatizado, desempenhando um papel essencial no controle, monitoramento e execução de tarefas. Em sistemas automatizados, cada componente eletrônico, como sensores, atuadores e controladores, é responsável por uma função específica, garantindo que as operações ocorram de forma precisa, eficiente e com mínima intervenção humana (Almeida et al, 2022).
Os sensores são elementos críticos em sistemas automatizados, pois permitem que o sistema colete informações do ambiente externo e tome decisões com base nesses dados. Sensores de temperatura, pressão, umidade, nível de líquido e proximidade são alguns exemplos comuns, e eles desempenham um papel fundamental no controle de processos automatizados, como o monitoramento de variáveis em uma máquina de bebidas (Rohde, 2014).
Sensores de temperatura são amplamente usados em máquinas automatizadas de bebidas para garantir que a água ou outros líquidos estejam na temperatura correta antes de serem servidos. O controle preciso da temperatura é essencial para garantir a qualidade de bebidas como café ou chá, que precisam ser preparados a uma temperatura exata para preservar o sabor e as propriedades desejadas (Merchan; Valderrama; Poveda, 2017).
Outro sensor muito utilizado é o de nível, que monitora a quantidade de líquidos em reservatórios ou recipientes. Em máquinas de bebidas automatizadas, os sensores de nível garantem que haja quantidade suficiente de água, leite ou outros ingredientes antes de iniciar o processo de preparo, evitando erros como servir uma bebida incompleta ou com proporções incorretas (Anchundia; Naranjo, 2018).
Atuadores, por sua vez, são dispositivos que convertem sinais elétricos em movimentos físicos ou ações mecânicas. Eles são responsáveis por executar comandos enviados pelo controlador, como abrir ou fechar válvulas, acionar bombas de líquidos ou girar motores. Em uma máquina de bebidas automatizada, atuadores controlam a distribuição precisa de ingredientes, permitindo que as receitas sejam preparadas de forma consistente e rápida (Delfim et al., 2021).
Válvulas solenoides são um tipo de atuador comumente usados em sistemas de automação de bebidas. Elas permitem o controle do fluxo de líquidos, como água ou leite, abrindo e fechando automaticamente de acordo com os comandos do sistema. A precisão dessas válvulas é crucial para garantir que cada bebida receba a quantidade exata de cada ingrediente (Almeida et al, 2022).
Bombas peristálticas também são frequentemente utilizadas em sistemas automatizados de bebidas, especialmente para a dosagem precisa de líquidos como xaropes, leite ou água. Essas bombas funcionam comprimindo o tubo que transporta o líquido, resultando em um fluxo controlado e sem contaminação, o que é ideal para a manipulação de bebidas que precisam ser higienicamente preparadas (Rohde, 2014).
Outro componente crucial em sistemas automatizados são os controladores. Controladores, como microcontroladores ou CLPs (Controladores Lógico Programáveis), são os cérebros do sistema, responsáveis por interpretar as informações dos sensores e enviar comandos aos atuadores. No caso de uma máquina de bebidas, um microcontrolador como o Arduino processa os dados dos sensores e decide quando acionar bombas, aquecedores ou válvulas (Delfim et al., 2021).
O uso de displays em sistemas automatizados oferece uma interface amigável para o usuário. Em uma máquina de bebidas automatizada, por exemplo, um display pode ser utilizado para exibir as opções de bebida, mostrar o status do processo de preparo ou fornecer feedback sobre o funcionamento do sistema. Essa interação visual melhora a experiência do usuário e facilita o controle da máquina (Merchan; Valderrama; Poveda, 2017).
Os botões e interfaces táteis são outros componentes eletrônicos importantes para a interação do usuário com sistemas automatizados. Eles permitem que o usuário escolha as opções desejadas e iniciem o processo de preparo com um simples toque. Em máquinas de bebidas, a simplicidade da interface é fundamental para garantir uma operação rápida e intuitiva (Almeida et al, 2022).
Relés e interruptores eletrônicos também são utilizados em sistemas automatizados, servindo como comutadores para controlar circuitos maiores. Relés são frequentemente usados para isolar a parte de controle do sistema de cargas mais altas, garantindo que o microcontrolador possa controlar dispositivos de alta potência de maneira segura e eficiente (Anchundia; Naranjo, 2018).
A integração de componentes eletrônicos em sistemas automatizados muitas vezes envolve a criação de circuitos complexos, onde cada componente desempenha um papel fundamental para o funcionamento correto do sistema. A escolha adequada dos componentes eletrônicos, como resistores, capacitores e transistores, é essencial para garantir a estabilidade e eficiência do sistema (Rohde, 2014).
Nos sistemas de comunicação, os módulos de conectividade, como Wi-Fi e Bluetooth, permitem que sistemas automatizados sejam monitorados e controlados remotamente. Em uma máquina de bebidas, por exemplo, esses módulos possibilitam o controle via smartphone ou tablet, oferecendo conveniência e personalização para o usuário, além de permitir a manutenção remota (Merchan; Valderrama; Poveda, 2017).
A segurança também é uma preocupação em sistemas automatizados, e componentes como fusíveis, disjuntores e sensores de segurança são essenciais para proteger o sistema contra falhas elétricas, sobrecargas ou mau funcionamento. Esses componentes garantem que o sistema opere dentro dos parâmetros seguros, evitando acidentes ou danos aos equipamentos (Anchundia; Naranjo, 2018).
2.2 Automação no setor de alimentos e bebidas
A automação no setor de alimentos e bebidas tem ganhado destaque nos últimos anos, impulsionada pela busca de maior eficiência, controle de qualidade e redução de custos operacionais. A introdução de tecnologias automatizadas em cozinhas industriais, cafeterias, bares e até em residências tem revolucionado a maneira como as bebidas são preparadas, servidas e personalizadas para os consumidores (Oliveira; Santos; Porto, 2019).
A automação traz diversos benefícios para o setor, sendo um dos principais a padronização. Máquinas automatizadas conseguem preparar alimentos e bebidas de maneira consistente, garantindo que a qualidade permaneça a mesma em todos os pedidos, independentemente de quem esteja operando o equipamento. Isso é crucial para empresas que valorizam a uniformidade em suas ofertas, como redes de restaurantes e franquias (Santo, 2015).
A velocidade e a eficiência também são impactadas positivamente pela automação. Em um ambiente de alta demanda, como cafeterias movimentadas ou eventos de grande porte, a
automação permite a preparação de bebidas em menos tempo, sem comprometer a qualidade. Com sistemas programados para realizar tarefas repetitivas, o tempo de espera dos clientes é reduzido, o que melhora a experiência do usuário e a produtividade do estabelecimento (Barrientos, 2018).
A automação no preparo de bebidas também facilita a personalização, uma tendência crescente no mercado. Consumidores modernos buscam produtos adaptados aos seus gostos e necessidades, e as máquinas automatizadas permitem a customização de variáveis como intensidade do café, quantidade de açúcar, temperatura da bebida e tipos de ingredientes. Isso proporciona uma experiência mais personalizada, agregando valor ao serviço prestado (Fernández, 2023).
A redução de erros humanos é outra vantagem importante da automação no setor de alimentos e bebidas. Operadores humanos podem cometer erros na dosagem de ingredientes, preparação e tempo de aquecimento, o que pode comprometer a qualidade final do produto. Máquinas automatizadas eliminam essas falhas, garantindo que cada bebida seja preparada com precisão e seguindo os parâmetros estabelecidos (Carvalho, 2022).
A automação também tem um impacto positivo na redução de desperdício de insumos. As máquinas automatizadas podem ser programadas para usar exatamente a quantidade necessária de cada ingrediente, evitando excessos e desperdícios. Isso é especialmente relevante em grandes redes de franquias ou em estabelecimentos com alta rotatividade de clientes, onde o controle de custos e a eficiência de recursos são cruciais para a lucratividade (Santo, 2015).
O desenvolvimento de máquinas de bebidas automatizadas está em sintonia com as novas demandas do mercado, que valoriza eficiência, rapidez e personalização. Esse tipo de tecnologia não só melhora a qualidade do serviço, mas também reduz a necessidade de mão de obra intensiva, permitindo que os funcionários foquem em atividades mais estratégicas e que envolvam interação direta com os clientes (Oliveira; Santos; Porto, 2019).
As máquinas automatizadas, além de facilitarem o processo de preparo, também permitem o controle remoto e monitoramento, graças à integração com tecnologias de Internet das Coisas (IoT). Isso possibilita que os operadores monitorem o funcionamento da máquina à distância, realizem ajustes e até programem manutenções preventivas, evitando falhas e interrupções no serviço (Fernández, 2023).
No contexto doméstico, as máquinas de bebidas automatizadas também têm se tornado populares. O consumidor moderno busca cada vez mais praticidade em seu cotidiano, e a possibilidade de preparar bebidas personalizadas de forma rápida e eficiente em casa é um atrativo significativo. Além disso, a automação doméstica oferece uma experiência premium sem a necessidade de conhecimento técnico avançado por parte do usuário (Oliveira; Santos; Porto, 2019).
A sustentabilidade também é um fator importante no avanço da automação no setor de alimentos e bebidas. O uso de máquinas automatizadas reduz o consumo de recursos, como água e energia, e também pode diminuir a pegada de carbono ao otimizar o uso de insumos e evitar desperdícios. Muitos sistemas modernos são projetados com eficiência energética em mente, utilizando menos energia para funcionar sem sacrificar a qualidade do serviço (Santo, 2015).
A evolução da automação no setor de bebidas está alinhada com as tendências globais de inovação e tecnologia. Desde sistemas que utilizam inteligência artificial para prever a demanda e ajustar automaticamente o estoque, até dispositivos que integram interfaces de usuário personalizadas para oferecer novas experiências de consumo, a tecnologia tem transformado o setor. Esses avanços permitem a criação de novas oportunidades de negócio, como bares automatizados ou cafeterias que operam sem intervenção humana franquias (Santo, 2015).
O impacto da automação no setor de bebidas pode ser visto também na qualidade do serviço ao cliente. Estabelecimentos que adotam sistemas automatizados conseguem atender com mais rapidez e eficiência, reduzindo filas e tempos de espera, e melhorando a satisfação dos clientes. Além disso, os operadores humanos podem se concentrar em tarefas mais qualificadas, como o atendimento personalizado e a criação de experiências diferenciadas para os consumidores (Fernández, 2023).
Para os pequenos empreendedores, a automação oferece uma vantagem competitiva, permitindo que negócios menores se equiparem a grandes redes em termos de eficiência e qualidade de serviço. A acessibilidade a tecnologias de automação, como plataformas de prototipagem de baixo custo, democratizou o uso dessas soluções, permitindo que até pequenos cafés e restaurantes invistam em tecnologia de automação para melhorar suas operações (Oliveira; Santos; Porto, 2019).
Desafios e barreiras ainda existem na adoção da automação no setor de alimentos e bebidas, especialmente em mercados mais tradicionais que podem resistir à substituição de processos manuais por máquinas. No entanto, à medida que os consumidores exigem mais rapidez, qualidade e personalização, a adoção da automação se tornará inevitável, forçando os estabelecimentos a se adaptarem a essa nova realidade (Carvalho, 2022).
2.3 Plataformas de prototipagem eletrônica: o uso do Arduíno
O Arduíno é uma plataforma de prototipagem eletrônica que se tornou amplamente popular por sua simplicidade, conveniência e acessibilidade. Criado em 2005, o Arduino foi desenvolvido para facilitar o aprendizado de eletrônica e programação por estudantes e entusiastas, possibilitando o desenvolvimento de projetos eletrônicos de maneira acessível, mesmo para quem não tem conhecimentos técnicos avançados (Gonçalves et al., 2022).
A principal vantagem do Arduíno é sua facilidade de uso. Diferente de outras plataformas eletrônicas, ele permite a criação de circuitos e a programação de microcontroladores de forma intuitiva, com uma interface de software simples e um hardware aberto. Isso torna o Arduino uma ferramenta poderosa para iniciantes e experientes, permitindo o rápido desenvolvimento de protótipos específicos (Sampaio et al., 2023).
O Arduino utiliza um microcontrolador como cérebro de seu sistema, capaz de controlar sensores, atuadores e outros componentes eletrônicos de forma integrada. A plataforma é programada utilizando uma linguagem de programação baseada em C/C + +, o que permite flexibilidade e a criação de uma grande variedade de projetos, desde simples controles de luz até sistemas complexos de automação (Amaral et al., 2023).
O conceito de hardware aberto (open-source) é um dos pilares do sucesso do Arduíno. Isso significa que os esquemas eletrônicos do Arduíno são públicos e podem ser replicados, modificados e compartilhados gratuitamente. Essa abordagem permitiu a criação de uma vasta comunidade global de desenvolvedores, que traz melhorias, módulos adicionais e bibliotecas de código que expandem ainda mais as capacidades da plataforma (Silva, 2019).
A comunidade ao redor do Arduíno é uma de suas maiores forças. Com milhares de usuários contribuindo com projetos, tutoriais, fóruns e bibliotecas de código, iniciantes podem encontrar facilmente suporte e recursos para aprender e desenvolver seus próprios projetos. Essa rede colaborativa fortalece o conhecimento coletivo e incentiva a inovação (Ramos; Cedeño, 2020).
O uso do Arduíno em protótipos de máquinas de bebidas automatizadas destaca seu potencial para projetos de automação. O microcontrolador permite a integração de sensores de temperatura, atuadores como bombas de líquido e válvulas, além de interfaces de usuário como displays e botões, possibilitando a criação de sistemas de automação eficientes e precisos (Sampaio et al., 2023).
Um dos motivos pelo qual o Arduíno é amplamente utilizado em automação é sua capacidade de ler sinais de diferentes sensores, processar essas informações e enviar comandos para atuadores. No caso de uma máquina de bebidas, por exemplo, o Arduino pode monitorar a temperatura da água, o nível dos ingredientes e controlar o fluxo de líquidos com isolamento (Ramos; Cedeño, 2020).
A plataforma Arduíno também suporta a integração com uma ampla variedade de módulos e periféricos, como módulos Wi-Fi, Bluetooth e RFID, expandindo suas capacidades. Com esses módulos, uma máquina de bebidas pode, por exemplo, ser controlada remotamente via smartphone ou realizar pagamentos automáticos com leitura de cartões de identificação (Gonçalves et al., 2022).
A flexibilidade do Arduino permite que ele seja utilizado tanto em projetos simples quanto em sistemas complexos. Ele é ideal para prototipagem rápida, pois permite testar conceitos e funcionalidades de forma ágil. Uma vez que o protótipo esteja validado, o sistema pode ser refinado e otimizado para uso comercial ou doméstico (Amaral et al., 2023).
Outro fator que torna o Arduíno popular em projetos de prototipagem é seu baixo custo. Comparado a outras soluções de automação industrial, o Arduíno oferece uma opção acessível para pequenos negócios, startups e desenvolvedores independentes que buscam criar soluções tecnológicas sem grandes investimentos iniciais (Silva, 2019).
A capacidade de interagir com dispositivos físicos e digitais é uma das características mais notáveis do Arduíno. Sensores de temperatura, luz, umidade e pressão podem ser conectados ao microcontrolador, que, por sua vez, processa essas informações e aciona dispositivos como motores, bombas e LEDs. Esse tipo de interação é fundamental no desenvolvimento de uma máquina de bebidas, permitindo controlar com precisão todas as etapas do preparo (Amaral et al., 2023).
Além da automação, o Arduíno é amplamente utilizado em projetos educacionais. Sua simplicidade o torna ideal para ensinar os fundamentos de eletrônica e programação em escolas e universidades. Projetos de prototipagem com Arduino ajudam os estudantes a desenvolver habilidades práticas e a compreender os princípios por trás de sistemas eletrônicos e automatizados (Silva, 2019).
O software Arduino IDE (Integrated Development Environment) é outro ponto forte da plataforma. Ele fornece uma interface de programação fácil de usar, onde o usuário pode escrever, compilar e enviar o código diretamente para o microcontrolador. O IDE também inclui uma vasta biblioteca de códigos prontos para serem usados, o que acelera o processo de desenvolvimento (Sampaio et al., 2023).
A robustez e durabilidade do Arduíno tornam uma escolha viável para protótipos funcionais e até para produtos finais. Embora tenha sido usado predominantemente para testes e experimentos, o Arduíno tem sido implementado com sucesso em projetos comerciais, devido à sua capacidade de controlar sistemas complexos com eficiência e confiabilidade (Gonçalves et al., 2022).
3. METODOLOGIA
O presente estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa do tipo estudo caso sobre o desenvolvimento de protótipo de uma máquina de bebidas com sistema Arduíno.
3.1 Seleção de Componentes
Com base no planejamento inicial, é feita a seleção dos componentes (Figura 1) que foram utilizados no protótipo. Esses componentes incluíram-se:
- Arduino (microcontrolador) como o cérebro do sistema.
- Sensores de temperatura, fluxo e nível de líquidos.
- Bombas peristálticas para movimentar os líquidos.
- Válvulas solenoides para controlar o fluxo de água e outros líquidos.
- Displays e botões para interação do usuário.
- Motores de passo ou servomotores para movimentar partes mecânicas, como o posicionamento dos copos.
- Fontes de alimentação para fornecer energia aos componentes.
4. Desenvolvimento do Circuito Eletrônico
Nesta fase, os componentes eletrônicos selecionados foram integrados ao sistema, conectando sensores, atuadores e o Arduino. O desenvolvimento do circuito incluiu: Conectar os sensores ao Arduino para monitoramento de parâmetros como temperatura, nível de líquidos e fluxo.
- Integrar as bombas e válvulas controladas eletronicamente para o controle do fluxo de líquidos.
- Configurar displays e interfaces de usuário para possibilitar a interação com a máquina, onde o usuário poderá escolher a bebida, o volume, e outros parâmetros.
- Testar individualmente cada conexão para garantir que os sinais dos sensores e atuadores sejam corretamente lidos e executados pelo Arduino.
5. Desenvolvimento de Software e Programação
Com o circuito montado, iniciou-se a fase de programação (Figura 3) no ambiente de desenvolvimento Arduino IDE. O código é escrito para controlar todas as funcionalidades da máquina, incluindo:
- Leituras de sensores, como temperatura e nível de líquidos.
- Controle das bombas e válvulas para dosagem e movimentação dos líquidos.
- Interface com o display para que o usuário selecione as opções desejadas.
- Estabelecer condições de segurança, como parar o processo caso faltem insumos ou haja um erro no sistema.
Durante o desenvolvimento do software, são feitos testes com cada componente e ajuste no código para garantir a funcionalidade correta e eficiente
6. Montagem Mecânica do Protótipo
Após o desenvolvimento eletrônico e do software, é realizada a montagem física do protótipo (Figura 4), realizou-se a:
- Integração das partes mecânicas e eletrônicas em um chassi ou estrutura apropriada.
- Fixou-se bombas, tubos e válvulas na posição correta para o funcionamento fluido do sistema.
- Instalou-se recipientes para os líquidos e a área de dispensação das bebidas.
- Certificou-se de que o design físico permite fácil manutenção e manuseio dos insumos e dos componentes.
7. RESULTADOS E DISCUSSÃO
7.1 Desempenho do Protótipo na Preparação de Bebidas
Durante os testes iniciais, o sistema foi configurado para preparar diversas bebidas, desde café até sucos e bebidas mistas, com foco em garantir que cada preparo fosse feito de forma rápida e precisa. Amaral et al. (2023), afirma que o desempenho do protótipo de máquina de bebidas é avaliado com base na precisão, tempo de preparo e consistência dos resultados, fatores cruciais para o sucesso de uma máquina automatizada.
Os sensores de fluxo e nível desempenharam um papel crucial nessa etapa, monitorando a quantidade de líquido que passa pelos tubos e garantindo que o volume fosse sempre constante. Delfim et al. (2021), esclarece que a precisão na dosagem dos líquidos é um dos principais pontos de análise, sendo fundamental para garantir que as quantidades exatas de ingredientes fossem dispensadas, tanto para evitar desperdícios quanto para garantir a qualidade final da bebida.
Os testes mostraram que a precisão na dosagem variava dependendo das especificidades e da densidade do líquido utilizado. Líquidos mais densos, como sucos ou leite, apresentam um desvio ligeiro na dosagem, enquanto a água e outros líquidos de menor especificidade foram dosados de maneira mais precisa. Sampaio et al. (2023), afirma que ajustes nas configurações de controle das bombas devem ser feitos para melhorar o resultado em líquidos mais densos.
O tempo de preparo também foi uma crítica métrica para o desempenho do protótipo, já que uma das promessas de automação é a rapidez. O tempo médio para preparar uma bebida simples, como café ou suco, ficou dentro do esperado, levando entre 30 a 45 segundos, dependendo do volume. Pabon (2023), destaca que bebidas mais complexas, que projetam a mistura de dois ou mais ingredientes, levem um pouco mais de tempo, mas ainda dentro de limites aceitáveis.
O protótipo foi testado repetidamente para preparar a mesma bebida várias vezes, e os resultados demonstraram que a máquina conseguiu manter a consistência na maioria das vezes, com variações mínimas no volume e na temperatura. Silva (2022), afirma que a consistência nos preparos é outro ponto importante avaliado durante os testes, uma vez que uma máquina de bebidas deve ser capaz de reproduzir o mesmo resultado em diferentes benefícios.
Os sensores de temperatura monitoram com precisão o aquecimento da água, e o sistema de controle ajusta rapidamente a temperatura. O controle de temperatura foi um dos destaques no desempenho do protótipo, especialmente em bebidas quentes como café e chá. Almeida et al. (2022), destaca que, em alguns casos, houve uma ligeira demora no aquecimento quando grandes volumes de água eram necessários.
O display LCD foi eficiente ao apresentar as opções disponíveis e confirmar as escolhas, garantindo que o processo fosse simples e intuitivo para o usuário. Sampaio et al. (2023), afirma que a interface de desempenho do usuário pode proporcionar uma experiência de operação, permitindo que os usuários selecionem o tipo de bebida e personalizem parâmetros como o volume e a intensidade do sabor.
Os botões de controle apresentados foram responsivos, e a comunicação com o microcontrolador Arduíno foi eficaz, garantindo que as entradas do usuário fossem processadas rapidamente e que o sistema iniciasse a preparação da bebida sem atrasos. Silva (2022), afirma que a simplicidade da interface pode facilitar o uso do protótipo, mesmo para usuários sem experiência prévia com máquinas automatizadas.
Durante os testes de desempenho, também foi observado o comportamento do protótipo em situações de erro, como a falta de insumos ou falhas no sistema de sensores. Em casos de falta de água, o sensor de nível detectou ausência de líquido e interrompeu o processo, exibindo uma mensagem de erro no display. Delfim et al. (2021), destaca que isso demonstrará a eficácia do sistema de monitoramento, prevenindo danos ao equipamento e garantindo a segurança do processo.
A capacidade do protótipo de lidar com diferentes tipos de ingredientes líquidos foi outra métrica de sucesso. Almeida et al. (2022), esclarece que embora haja variações na dosagem de líquidos mais viscosos, o sistema é capaz de preparar bebidas com uma ampla gama de ingredientes, desde água até sucos espessos, demonstrando as especificações do design.
Em termos de volume de produção, o protótipo foi capaz de operar continuamente durante várias horas de teste, preparando bebidas sem interrupção significativa. Sampaio et al. (2023), destaca que o sistema tem potencial para funcionar em ambientes comerciais ou residenciais com alta demanda, desde que ajustes futuros sejam feitos para aumentar a robustez de alguns componentes.
A eficiência energética do protótipo também foi avaliada durante os testes de desempenho, e o consumo de energia foi relativamente baixo, considerando as funcionalidades oferecidas. Delfim et al. (2021), afirma que o uso de bombas e válvulas eficientes, juntamente com o controle preciso dos sensores, contribui para que o sistema funcione de maneira econômica, tornando-o viável para uso prolongado.
Uma análise mais detalhada revelou que uma bomba peristáltica utilizou no protótipo desempenho um papel fundamental na precisão do volume de líquido bombeado, especialmente em líquidos de baixa especificidade. Silva (2022), esclarece que, a eficiência das bombas poderia ser melhorada em versões futuras, com o uso de modelos mais avançados, capazes de lidar com uma gama ainda mais ampla de líquidos.
Um aspecto que merece atenção nas futuras iterações do protótipo é a manutenção dos componentes, especialmente das bombas e válvulas. Após vários ciclos de uso contínuo, alguns sinais de desgaste foram detectados, o que pode comprometer a vida útil da máquina. Delfim et al. (2021), destaca que uma solução será implementar sistemas de manutenção preditiva, como sensores que monitoram o estado dos componentes em tempo real.
7.2 Análise da eficiência energética e confiabilidade dos componentes
Durante o desenvolvimento do protótipo de máquina de bebidas com Arduíno, foi dada especial atenção à seleção de componentes de baixo consumo, melhorias para garantir que o sistema funcione de maneira eficiente e sustentável em termos energéticos. Carvalho (2022), afirma que a eficiência energética é um dos aspectos mais críticos ao avaliar a previsão de um protótipo de máquina inteligente, principalmente para aplicação em ambientes comerciais ou domésticos.
As bombas peristálticas foram escolhidas por sua eficiência ao bombear líquidos sem a necessidade de um consumo constante de energia, uma vez que operam em ciclos controlados pela demanda do sistema. Amaral et al. (2023), destaca que os principais componentes do sistema, como as bombas, válvulas solenóides e o microcontrolador Arduíno, precisam ser selecionados com base no baixo consumo de energia
O uso de código otimizado no Arduíno permitiu que o sistema desligasse ou diminuísse a potência de componentes que não estavam sendo utilizados, como as bombas e os displays, durante períodos de inatividade. Gonçalves et al. (2022), destaca que o Arduíno, utilizado como unidade de controle central do protótipo, também contribui para a eficiência energética, sendo um microcontrolador conhecido por seu consumo limitado.
Outro componente essencial na eficiência energética do protótipo foi o uso de sensores de nível e de fluxo, que permitiram um controle preciso do consumo de líquidos, garantindo que as bombas e válvulas fossem acionadas apenas quando necessário. Fernández (2023), esclarece que isso evita o desperdício de energia, já que o sistema só opera de forma ativa quando havia demanda de bebidas.
A integração de displays LCD para a interface do usuário também foi projetada para consumir a menor quantidade de energia possível, utilizando retroiluminação apenas quando necessário, e desligando após um determinado período de inatividade. Anchundia, Naranjo, (2018), afirma que isso ajuda a reduzir o consumo global do protótipo sem comprometer a experiência do usuário.
Durante os testes, foram aplicadas essas válvulas, especialmente em períodos de uso prolongado, que poderiam ser responsáveis por um aumento no consumo de energia devido ao seu acionamento constante. Salvatierra (2021), destaca que embora o sistema tenha sido eficiente em termos energéticos, alguns componentes tiveram maior consumo do que o esperado durante o funcionamento contínuo, como as válvulas solenóides.
Para melhorar a eficiência energética das válvulas, as futuras configurações podem incluir a implementação de válvulas de baixo consumo, ou mesmo a utilização de alternativas como válvulas de controle proporcionais, que permitem um controle mais preciso e necessário para a necessidade de acionamentos frequentes. Amaral et al. (2023), afirma que isso ajudará a manter o consumo de energia em níveis ainda mais baixos.
A confiabilidade dos componentes foi outro ponto-chave testado no desempenho geral do protótipo. Ao longo dos testes, as bombas peristálticas mostraram-se altamente confiáveis, com poucas falhas operacionais e um desempenho consistente. Fernández (2023), afirma que esse tipo de bomba tem uma construção robusta e é ideal para líquidos de diferentes especificidades, o que contribui para a durabilidade do sistema.
No entanto, foi detectado um desgaste natural nas bombas após uso prolongado, especialmente nas tubulações utilizadas para bombear líquidos viscosos, como sucos ou misturas espessas. Salvatierra (2021), afirma que o desgaste, embora esperado, pode comprometer a durabilidade a longo prazo. Uma solução seria a implementação de um sistema de monitoramento para identificar o momento ideal de manutenção ou substituição das bombas.
As válvulas solenóides, usadas para controlar o fluxo de líquidos, também demonstraram alta confiabilidade, mas em alguns casos indicaram sinais de fadiga após uso contínuo. Gonçalves et al. (2022), esclarece que esses componentes são cruciais para o funcionamento preciso do sistema, mas, como podem trabalhar com ações frequentes, sofrem desgaste. Testes mais extensivos poderiam ser demorados para identificar a vida útil exata dessas válvulas em diferentes cenários de operação.
A confiabilidade dos sensores de fluxo e nível também foi garantida, embora alguns problemas de ocorrência tenham surgido durante os testes. Por exemplo, em casos de líquidos com alta peculiaridade, os sensores de fluxo às vezes apresentam leituras incorretas, causando imprecisões na dosagem. Carvalho (2022), destaca que esses problemas podem ser corrigidos com ajustes no código do Arduino, mas sugerem que sensores mais avançados ou com maior faixa de precisão poderiam melhorar o desempenho geral.
Um dos pontos fortes do protótipo foi a integração eficiente entre o Arduíno e os diversos componentes, com a comunicação entre os sensores, bombas, e atuadores ocorrendo sem grandes falhas. Amaral et al. (2023), afirma que essa confiabilidade no sistema de controle é essencial para que uma máquina funcione de maneira contínua, especialmente em ambientes onde a automação e a consistência são fundamentais.
Apesar da confiabilidade geral dos componentes, uma preocupação adicional foi o gerenciamento térmico do sistema, especialmente em cenários de uso prolongado. Componentes como as válvulas solenóides e as bombas tendem a aquecer após longos períodos de operação. Salvatierra (2021), destaca que embora não ocorra falhas devido ao superaquecimento, implementar dissipadores de calor ou ventoinhas em futuras versões do protótipo pode aumentar ainda mais a confiabilidade do sistema.
A simplicidade do sistema de controle e a modularidade do Arduíno também ajudaram na manutenção do protótipo, tornando fácil a substituição de componentes em caso de falhas. Anchundia, Naranjo, (2018), afirma que essa modularidade é importante, pois permite que componentes individuais, como uma bomba ou válvula defeituosa, sejam substituídos rapidamente, sem a necessidade de modificação de todo o sistema.
8. CONSIDERAÇÕES FINAIS
Ao longo do desenvolvimento, o protótipo demonstrou ser uma solução viável para a automação de bebidas, integrando componentes eletrônicos como sensores, atuadores e controladores de forma eficiente e funcional. O desempenho do sistema foi satisfatório em termos de precisão na dosagem, controle de temperatura e consistência na preparação de diferentes tipos de bebidas, atendendo às expectativas iniciais.
A análise de eficiência energética mostrou que o sistema pode operar de maneira sustentável, com baixo consumo de energia, especialmente devido à utilização de componentes como bombas peristálticas e o microcontrolador Arduino. No entanto, algumas áreas, como o
consumo das válvulas solenoides e a gestão térmica do sistema, apresentaram oportunidades de melhoria, que poderão ser abordadas em futuras iterações do projeto.
Em termos de confiabilidade, o protótipo demonstrou um desempenho robusto, com os principais componentes operando de maneira consistente mesmo após longos períodos de uso. Problemas menores, como desgaste natural de peças e a necessidade de ajustes nos sensores de fluxo, foram identificados e podem ser resolvidos com atualizações no design e na escolha de componentes mais avançados.
Portanto, o projeto atingiu seus objetivos principais, oferecendo uma solução automatizada para a preparação de bebidas. O protótipo pode servir como base para desenvolvimentos futuros, tanto em escala comercial quanto para uso residencial, desde que as melhorias apontadas sejam implementadas. A utilização de plataformas de prototipagem como o Arduíno se mostrou eficiente e prática, permitindo um controle preciso e confiável dos processos, consolidando sua aplicabilidade no setor de automação de alimentos e bebidas.
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1Graduando em Bacharelado em Engenharia Elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: antonio.dellon@yahoo.com
2Esp. em Engenharia de Segurança do Trabalho, Orientadora do Curso de Engenharia elétrica, pela Universidade Nilton Lins. E-mail: ma.dp@uol.com.br