REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7907539
Luís Felipe Trindade Natario1
Maria dos Anjos Fernandes Pacheco2
Erika Cristina N. Marques Pinheiro3
RESUMO
A energia elétrica se tornou algo essencial em nossa vida, e é difícil imaginar nossa vida hoje em dia sem ela. A energia elétrica se tornou algo básico em nossa sociedade, assim como água e comida. O regulador de tensão irá garantir que o seu Arduino esteja funcionando com 5V e que o seu servo seja alimentado com 5V. Outra vantagem é que além da eficiência, esses reguladores podem converter tensões menores para tensões maiores. O objetivo deste estudo é desenvolver um protótipo de controladoria de corrente elétrica feita com Arduino. foi construído um protótipo de controladoria de energia elétrica com Arduino, gerando dados sobre o consumo de um aparelho em um determinado tempo. Esses dados serão enviados para um servidor para serem tratados e enviados para uma aplicação. A possibilidade metodológica desse estudo deu-se por meio do desenvolvimento do protótipo, pesquisas bibliográficas e estudo de caso. Conclui-se que o desenvolvimento do protótipo ajuda a medir o consumo de energia de acordo com o aparelho que é analisado por meio do dispositivo de Arduino.
Palavras-chave: Protótipo. Arduino. Energia. Eletricidade.
ABSTRACT
Electricity has become an essential part of our lives, and it is difficult to imagine our life today without it. Electricity has become as basic to our society as water and food. The voltage regulator will ensure that your Arduino is running at 5V and that your servo is powered at 5V. Another advantage is that in addition to efficiency these regulators can convert lower voltages to higher voltages. The objective of this study is to develop a prototype of an electric current controller made with Arduino. A prototype of an electrical energy controller was built with Arduino, generating data on the consumption of a device in a given time. This data will be sent to a server to be processed and sent to an application. The methodological possibility of this study took place through the development of the prototype, bibliographic research and case study. It is concluded that the development of the prototype helps to measure the energy consumption according to the device that is analyzed through the Arduino device.
Keywords: Prototype. Arduino. Energy. Electricity.
1 INTRODUÇÃO
Os Recursos naturais ou artificiais são usados para gerar eletricidade e a maior parte dessa energia vem do consumo de fontes naturais não renováveis. Para o Centro de Comercialização de Energia Elétrica (CCEE), os principais meios de geração de energia elétrica são a hidrelétrica, o gás natural, o petróleo e carvão. A maioria das fontes de eletricidade do Brasil são hidrelétricas, e a construção de usinas hidrelétricas têm impactos como desmatamento, inundações de grandes áreas e perda de vida selvagem. De acordo com a matéria do pacote
Suzana no site Super Interessante (2018): “Na área que recebe o grande lago que serve de reservatório para a hidrelétrica, a natureza está mudando: o clima está mudando, as espécies de peixes estão desaparecendo, os animais fogem para os abrigos enxuguem, as árvores dirigir-se madeira podre sob o dilúvio.
Nesse contexto, a mensuração do consumo de energia faz-se necessária e isso é possível utilizando o Arduino que, de acordo com o site oficial do Arduino, About Us, 2019, é uma plataforma de prototipagem eletrônica baseado em hardware e software fáceis de usar, criado em 2005 para ajudar estudantes sem experiência prévia com eletrônica e programação de microcomputadores.
Esse dispositivo é acessível, barato, código aberto, isto é, código fonte disponibilizado e licenciado, de fácil entendimento e amplamente utilizado em pequenos projetos. Com suas portas analógicas e digitais, o Arduino pode receber diversas informações dos seus sensores e utilizá-las para realizar cálculos e análises, a exemplo dos sensores de tensão e corrente, que possibilitam a determinação da potência que, associada ao tempo de uso, permite avaliar o consumo de energia de um aparelho elétrico.
Diante disso, o objetivo deste estudo é desenvolver um protótipo de controlador de corrente elétrica feita com Arduino. Atrelado a isso, delimitou-se os objetivos específicos que são: analisar a potência de eletroeletrônicos, mostrar o consumo real de energia e explicar o que é o Arduino e leitura dos componentes em relação ao consumo e corrente elétrica.
Portanto, neste trabalho, foi construído um protótipo de controladoria de energia elétrica com Arduino, gerando dados sobre o consumo de um aparelho em um determinado tempo. Esses dados serão enviados para um servidor para serem tratados e enviados para uma aplicação.
2 ARDUINO
Apesar da diversidade de plataformas para o desenvolvimento de sistemas embarcados, a escolha do Arduino se deu pela acessibilidade ao dispositivo principal e aos periféricos (sensores e atuadores), uma vez que são comercializados em diversas lojas virtuais com custo relativamente baixo e possibilita uma infinidade de aplicações. Outro fator que contribuiu para a escolha deste dispositivo foi a linguagem de programação empregada que permite a manipulação por qualquer pessoa com uma noção básica e o vasto acervo de informações sobre ele.
Utilizado para prototipagem e por compatibilidade com diversos sensores, sendo de fácil uso tanto como software quanto com hardware. Como diz Michael McRoberts:
Em termos práticos, um Arduino é um pequeno computador que você pode programar para processar entradas e saídas entre o dispositivo e os componentes externos conectados a ele. O Arduino é o que chamamos de plataforma de computação física ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com seu ambiente por meio de hardware e software. (MCROBERTS, 2011, p. 22).
Sendo assim, o Arduino é uma placa de circuito impresso eletrônico que consiste em um conjunto de portas analógicas e digitais e um microcontrolador que permite ao código do programa definir as funções de cada porta. Estas portas podem ser utilizadas como entrada ou saída de sinal, dependendo do comando dado no software, e podem ser associadas a sensores e/ou atuadores. Como o fabricante nomeou a placa Arduino, trata-se de uma plataforma de código aberto que utiliza hardware e software de fácil utilização (ARDUINO, 2019).
Seus resultados podem ler sinais de entrada, como um sensor, o estado de um botão ou até mesmo sinais enviados por uma rede de comunicação, e sinais de saída que irão determinar o comportamento dos dispositivos e atuadores conectados, como, por exemplo, a partida de um motor acender uma lâmpada ou postar algo on-line etc.
Para fazer isso basta enviar um conjunto de formações ao microcontrolador por meio do software Arduino (IDE) disponível no site do fabricante. Essa programação varia de acordo com a finalidade do sistema. No mercado encontramos diferentes tipos de placas Arduino, como por exemplo, Uno, Nano etc.
Também existem outros fabricantes de placas com a mesma aplicação, como a RaspBerry Pi.
2.1 DEFINIÇÃO DE SENSOR
Segundo Wendling (2010), um sensor é um dispositivo cuja função é informar um circuito eletrônico de um determinado evento que ocorre fora do sistema, e com base nos valores especificados, o circuito comanda uma operação. Esses dispositivos são sensíveis a um determinado tipo de energia presente no ambiente que pode ser térmica, cinética, elétrica, luminosa etc. Refere-se às informações obtidas de grandezas físicas sensíveis, como temperatura, velocidade, corrente, pressão etc.
Esses dispositivos podem ser classificados como sensores analógicos ou digitais dependendo do tipo de sinal enviado ao microprocessador. Para os analógicos, o sinal de entrada ou saída pode assumir qualquer valor, desde que esteja dentro de sua faixa de operação. Comparado ao digital o sinal aguenta apenas dois valores no tempo, que podem ser interpretados como zero ou um. Mas, como não existe tal quantidade quantificável, esse sinal é enviado ao microprocessador onde, por meio de um código de computador, será convertido nas quantidades apropriadas (WENDLING, 2010).
2.2 TENSÃO E CORRENTE
Nos circuitos elétricos, a tensão e a corrente elétrica são variáveis importantes e fundamentais, tão importantes que os circuitos existem com a finalidade de mensurar, controlar e modificar suas propriedades. Outras variáveis podem ser orçadas a partir de tensão e corrente, como energia elétrica. Para entender a definição de corrente elétrica e tensão, é necessário conhecer o conceito de carga elétrica e campo elétrico.
O conceito de carga elétrica é o princípio fundamental na descrição de todos os fenômenos elétricos. Do mesmo jeito, a quantidade mais fundamental em um circuito elétrico é a carga elétrica. A carga é uma propriedade elétrica das partículas atômicas que compõem a matéria medida em coulombs (C) (SADIKU, 2013). Simplificando, a carga pode ser interpretada como se fosse uma coleção de elétrons em excesso em um átomo.
Um conceito importante relacionado à carga elétrica é a lei da conservação da carga que afirma que as cargas não podem ser criadas ou desmontadas, apenas trazidas. Uma característica das cargas elétricas é a sua mobilidade. Ou seja, pode ser deslocado de um lugar para outro, onde pode ser convertido em outra forma de energia (SADIKU, 2013). O campo elétrico pode ser imaginado como um campo de força criado por uma carga e em situações em que outra carga é exposta a este campo, a carga exposta é submetida a forças atrativas ou repulsivas conhecidas como lei de Coulomb (HAYT, 2003). A equação do campo elétrico pode ser dada pela relação entre força e carga unitária de acordo com a equação 2, onde o campo elétrico pode ser dado por volta por metro.
2.2.1 Energia elétrica e suas grandezas
As grandezas elétricas que compõem o que se compreende como
eletricidade visam separar e identificar diferentes maneiras de tratar a energia elétrica e são conhecidas como: carga, tensão, corrente, resistência, potência e a própria energia elétrica. A carga elétrica é uma grandeza fundamental da energia elétrica, não podendo ser definida em termos como outras grandezas. Há dois tipos de carga elétrica, a composta por prótons (+) e a composta por elétrons (-). A unidade de medida que representa a carga elétrica é o Coulomb (C), e a menor quantidade da mesma conhecida é a carga do elétron (1,60210×10-19C) (SANTOS, 2011).
2.2.2 Consumo de Energia Elétrica
O consumo de eletricidade é algo que sempre afeta tanto questões econômicas quanto ambientais, no caso da preservação da natureza, mas também na redução dos custos de eletricidade. (PAULA, 2013). Segundo a organização Nacional de Vitalidade Elétrica (ANEEL), o consumo de energia é um dos indicadores da qualidade de vida e desenvolvimento de uma sociedade ele implica tanto nas áreas industrial e comercial, quanto na vida dos cidadãos apresentado na figura (1) o consumo de energia no setor doméstico, com destaque para o consumo de energia elétrica, que apresenta o maior consumo e apresenta crescimento gradual.
Figura 1 – Consumo de energia no setor residencial
Fonte: Balanço energético nacional, 2019.
Esse consumo impacta diretamente na economia, pois acaba sofrendo variações diversas vezes, e muitas delas gerando um aumento considerável, porém não só na P = R V 2 (5) kWh = h P 1000 * (6) economia, mas também no meio ambiente em que está inserido, trazendo sérios impactos ambientais (MELO; ROQUE 2016).
2.2.3 Relógio medidor
Os medidores de energia elétrica são relógios ópticos bem conhecidos com a capacidade de medir o consumo de energia CA mensalmente. No Brasil, o modelo de medidor mais utilizado é o medidor bifásico de 3 fios. Mas existem dois tipos de medidores de eletricidade: eletrônicos e eletromecânicos. O tipo eletromecânico é mais antigo e funciona por indução eletromagnética. O medidor tem um disco de metal que gira quando a corrente passa pela bobina, criando um campo magnético. O campo aciona o disco, que gira conforme consome energia.
Assim, ocorreu o famoso movimento de engrenagem. Basicamente, quanto maior o campo magnético, mais o disco gira e mais energia é consumida. Ele não se torna eficiente só porque é mais antigo. Os medidores eletrônicos funcionam eletronicamente e suas medições são feitas digitalmente. A tecnologia utilizada neste dispositivo é muito mais moderna do que a utilizada nas versões mais antigas.
Usando dispositivos que enviam informações sobre o consumo de energia diretamente, ou seja, medem digitalmente.
O aparelho é prático e muito seguro. Este método tem sido cada vez mais utilizado ao longo dos anos. Seguro e eficiente, perfeito para sua casa. Se você não sabe onde encontrar um relógio medidor de energia, conheça o R3 Automação. Usado com este produto e outros, pode fornecer uma solução eficaz para qualquer problema. A R3 Automação oferece uma extensa lista de fornecedores. O dispositivo pode ser instalado em uma casa, empresa ou residência. É importante que o relógio seja instalado por alguém familiarizado com a grade. Mesmo com um medidor de potência, escolha o melhor.
3 METODOLOGIA
A abordagem do estudo trata-se de uma pesquisa qualitativa. Quanto à natureza do estudo é exploratória. Quanto aos procedimentos realizou-se pesquisas bibliográficas que buscou-se desenvolver uma estrutura conceitual básica. Foi feito um estudo de caso acerca da confecção de um protótipo que tem como objetivo desenvolver um protótipo de controladoria de corrente elétrica feita com Arduino.
Além disso, essa pesquisa utilizou como método o estudo de caso entre os principais benefícios na condução de estudo de caso, destacam-se: (a) o aumento da compreensão e do entendimento sobre os eventos reais contemporâneos. Dessa maneira, o estudo de caso permite ter maior compreensão do que está sendo abordado neste estudo de caso.
Figura 1 – Fluxograma da metodologia.
3.1 MATERIAIS UTILIZADOS PARA CONFECÇÃO DO PROTÓTIPO Componentes usados no projeto:
1- Placa Arduino
2- Sensor de corrente ACS712 -20- amperes
3- Módulo relé 5v
4- Display LCD 20×4
5- Fonte 9v/1a
6- Caixa de passagem
7- Potenciômetro 10k
8- plush button
3.2 CÓDIGO COMPLETO DA CONTROLADORA DE CORRENTE
Figura 2 – Código da controladora de corrente
Figura 3 – Código da controladora de corrente
4 PROJETO CONTROLADOR DE CORRENTE, OBTENÇÃO DOS VALORES ATÉ A CONCLUSÃO DOS RESULTADOS
Os sensores de corrente são responsáveis por fornecer um nível adequado de tensão as entradas analógicas do microcontrolador que no caso do Arduino são 5 volts. Na maior parte dos circuitos eletrônicos não é possível aplicar diretamente aos seus terminais um sinal de tensão. No entanto, sensores são necessários para possibilitar que os valores a serem aplicados sejam compatíveis para essa aplicação. (TEIXEIRA, 2009).
Para a coleta das amostras de corrente do protótipo, foram estudados sensores de corrente de efeito Hall que são dispositivos semicondutores que geram um sinal de corrente quando são inseridos em um campo magnético e uma tensão é aplicada a eles. É possível medir a corrente AC ou DC que circula por um condutor, pois esta produz um campo magnético. O sensor utilizado neste protótipo é o ACS712ELC-5b fabricado pela Allegro Microsystems, por apresentar boa linearidade, um isolamento satisfatório 29 entre a parte de potência e a parte de tratamento de dados, e um tamanho reduzido em um encapsulamento SOIC8 (MICROSYSTEMS, 2010).
O ACS712 apresenta um isolamento elétrico entre os pinos de potência (1, 2, 3, 5) para os pinos de 4 a 8, o que permite que o CI possa ser usado em aplicações onde esse isolamento é necessário, sem o uso de um isolante óptico ou outro dispositivo de isolamento (MICROSYSTEMS, 2010).
O CI ACS712, para que possa funcionar como sensor de corrente, deve ser ligado em série com a carga. Podem-se ligar os pinos 1 e 2, que estão eletricamente conectados à carga ou os pinos 3 e 4 que também estão eletricamente conectados. Escolhidos quais os pinos serão conectados à carga, os outros dois devem ser conectados de maneira a fechar o circuito. Uma corrente que percorre os pinos 1, 2, 3 e 4 como ilustram as setas na figura 1 geram um campo magnético, na pastilha de efeito hall. Utilizando o conceito do efeito hall, uma tensão nas extremidades da pastilha é gerada e amplificada dentro do CI de forma a fornecer a saída no pino 7 Figura 4 – O CI ACS712
O ponto de partida é a biblioteca “ACS712” e a sua função principal getCurrentAC();
Figura 5 – Relógio medidor de energia elétrica.
Ligamos o sensor de corrente no pino A0 (pino analógico) do arduino. Apenas com essa função vamos obter o valor da corrente elétrica consumida pelo equipamento. Para obter o valor da potência elétrica e da intensidade vamos utilizar a fórmula P = v.i Triângulo da potência elétrica
Figura 6 – Potência elétrica.
A Potência elétrica: Sistema internacional: Watt (W), tensão elétrica: Sistema internacional: Volt (V)
Figura 7- Conta de energia
Intensidade ou corrente elétrica: Sistema internacional: Amper (A). O valor $ 1,260959 é a referência usada para calcular o valor da conta de luz. Quando ocorre um reajuste na conta de luz é nesse valor que é alterado pela concessionária.O valor da conta de luz é calculado em KW/h. Exemplo: 1 kw/h = 3.600,000 watts.
1 kw = 1.000 watts
1 hora tem 3.600 segundos
1.000 x 3.600 = 3.600 000 é o total de 1kw/h
Em questão de simplificação se usa 1kw/h no lugar dos 3.600 000 watts.
A cada 3.600 000 watts é cobrado a tarifa de
$ 1,260959 do consumidor.
Exemplo: Uma furadeira elétrica tem uma potência de 400watts. No momento de seu funcionamento, a placa arduino salvar esse valor a cada segundo.400 + 400 + 400 + 400 + 400… até somar o total de 3.600 000watts, que será cobrado $ 1,260959.
Figura 8 – Relógio medidor de energia elétrica
Se nesse relógio se estivesse marcando “003”. Basta multiplicar 3 x valor referência 3 kw/h x 1,260959 = $ 3.782877 $ 3.78 = três reais e setenta e oito centavos é o valor da conta de luz. A soma dos valores do watts é feita a cada segundo pelo arduino. Chegando aos resultados:
Figura 9 – ACS
Para obter o valor da potência elétrica, basta multiplicar a corrente pela tensão. Exemplo: 2(amperes)x127(volts) = 254(Watts). A biblioteca “ACS712” é uma das mais fáceis de se utilizar. Observação: Para obter o valor da tensão elétrica(V), precisaríamos usar um sensor de tensão, nesse caso vamos apenas utilizar o valor padrão da cidade de Manaus que é 127v. Fotos reais da controladora de corrente usada nesse projeto:
Figura – 10 Diagrama elétrico.
Figura – 11 Protótipo Controller
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O protótipo do controller on significa que está passando a energia e quando fica off não passa a energia elétrica e há amperagem e voltagem, o protótipo foi implementado para monitorar o consumo de energia por meio do circuito para demonstração que possibilitou acompanhar e identificar o gasto de aparelhos eletroeletrônicos, mostrando por entre os sensores utilizados no desenvolvimento do circuito embarcado, os valores analógicos da rede elétrica, permitindo visualizar as variações de voltagem e amperagem que incidem diretamente no funcionamento de um dispositivo conectado à rede, onde quando o mesmo está muito abaixo do especificado pelo fabricante do aparelho, pode acabar apresentando problemas. No decorrer da pesquisa e implementação do protótipo identificou-se uma série de melhorias que devido a fatores externos como tempo reduzido e o nível de complexidade atingido, fica em aberto sugestões como integrações futuras utilizando, onde o protótipo realizaria uma comunicação diretamente.
ANEXO
Figura 12 – Materiais utilizados no desenvolvimento do protótipo
REFERÊNCIAS
ALLEGRO MICROSYSTEMS INC. Disponível em: . Acesso em set de 2022
AGÊNCIA NACIONAL DE ENERGIA ELÉTRICA – ANEEL. Atlas de energia elétrica do Brasil. 3. ed. Brasília, 2018.
ARDUINO. O QUE É O ARDUINO? 2019. Disponível em: https://www.arduinoportugal.pt/o-que-e-arduino/.
MCROBERTS, M. Arduino Básico. São Paulo: Novatec Editora ltda., 2011.
SADIKU, Matthew N.O. Fundamentos de Circuitos elétricos. 5.ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
HAYT, William H. Eletromagnetismo. 6. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003.
PAULA, Gilberto José. Medidor de demanda de energia elétrica residencial com acesso remoto. Centro Universitário de Brasília. Brasília, p. 66, 2013.
SANTOS, Kelly Vinente dos. Fundamentos de Eletricidade. 2016.
TEIXEIRA, L. L. Medidor de Energia Eletrônico. Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Rio Grande do Sul. 2009
1Acadêmico do curso de graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Nilton Lins. E-mail: natariofelipe@gmail.com
2,3Docente do curso de graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Nilton Lins.