Controle e monitoramento de tanques via arduino

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CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA 
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E 
AUTOMAÇÃO 
 
 
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Leonardo dos Santos Reis 
Renan Oliveira Baptista 
 
 
 
 
 
 
 
 
Barra Mansa 
2015 
 
CENTRO UNIVERSITÁRIO DE BARRA MANSA 
PRÓ-REITORIA ACADÊMICA 
CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E 
AUTOMAÇÃO 
 
 
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO 
 
 
 
 
 
Leonardo dos Santos Reis 
Renan Oliveira Baptista 
 
 
 
 
 
Monografia apresentada ao Curso de 
Engenharia de Controle e Automação do 
Centro Universitário de Barra Mansa, como 
requisito parcial para a obtenção do título de 
Bacharel em Engenharia de Controle e 
Automação, sob a orientação do Professor 
Leonardo de Carvalho Vidal. 
 
 
 
Barra Mansa 
2015 
CONTROLE E MONITORAMENTO DE TANQUES VIA ARDUINO 
 
 
 
Leonardo dos Santos Reis 
Renan Oliveira Baptista 
 
 
 
 
 
Monografia apresentada ao Curso de 
Graduação em Engenharia de Controle e 
Automação do Centro Universitário de Barra 
Mansa, submetida à aprovação da Banca 
Examinadora composta pelos seguintes 
membros: 
 
 
 
 
Leonardo de Carvalho Vidal, MSc. 
 
 
Miguel Alexandre Vieira Fusco, MSc. 
 
 
Pedro Luiz da Cruz Saldanha, DSc. 
 
 
 
Barra Mansa 
2015 
AGRADECIMENTOS 
 
Quero agradecer em primeiro lugar а Deus, pela força е coragem durante toda esta longa 
caminhada, aos professores e colegas de classe por todo apoio e, em especial ао meu pai José 
Li Dos Reis, minha mãe Luzia Maria Batista dos Santos por todo carinho e dedicação. 
 
Leonardo dos Santos Reis 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
AGRADECIMENTOS 
 
 Quero agradecer a minha família por sempre se importar com minha educação, aos 
professores que sempre exigiram o melhor que eu pudesse oferecer, e em especial meus pais, 
Marcus Vinicius Melo Baptista e Ana Maria Morgado de Oliveira Baptista, que estão sempre 
oferecendo apoio para que eu tenha um futuro de sucesso. 
 
Renan Oliveira Baptista 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RESUMO 
 
REIS, Leonardo dos Santos.; BAPTISTA, Renan Oliveira. Controle e Monitoramento de 
Tanques via Arduino. Rio de Janeiro: UBM, 2015. 
 
Este projeto permite que o usuário realize o controle e monitoramento de tanques através 
do micro controlador Arduino. 
Para que se controle o nível foi elaborado um código de programação que permite ao 
usuário ativar e desativar os atuadores do projeto (bomba d’água e válvula solenoide) apenas 
enviando um comando pelo monitor serial do micro controlador Arduino. 
Para monitorar o estado em que a planta do projeto se encontra é usado sensores de nível 
lateral, sensor ultrassônico e sensor de temperatura. Estes sensores garantem a segurança do 
projeto. 
Os sensores de nível lateral garantem que o usuário saiba em qual dos três níveis (baixo, 
médio e alto) o sistema se encontra, também sendo uma prevenção caso o sensor ultrassônico 
venha a falhar. 
O sensor ultrassônico informa ao usuário, a quantidade de litros que está disponível no 
tanque, com precisão de três milímetros. Caso o usuário não tenha interesse no valor preciso, é 
informado também o valor inteiro lido pelo sensor. 
Para garantir que os atuadores não funcionem acima da temperatura estipulada pelo 
fabricante, o responsável pelo monitoramento da planta informa no código de programação qual 
a temperatura limite desejada. 
Todo este processo é monitorado pelo monitor serial do micro controlador Arduino. 
Mantendo o custo benefício na escolha dos sensores e atuadores no projeto, foi criada 
uma planta que permite controlar e monitorar tanques de dezesseis litros. Desta maneira, 
comprovando que o micro controlador Arduino é capaz de realizar pequenas aplicações 
industriais, podendo ser uma alternativa para o Controlador Lógico Programável. 
 
Palavras-chave: Arduino. Controle. Monitoramento. Nível. Ultrassônico. Temperatura. 
 
 
 
 
 
ABSTRACT 
 
REIS, Leonardo dos Santos.; BAPTISTA, Renan Oliveira. Control and Monitoring of Tanks 
with Arduino. Rio de Janeiro: UBM, 2015. 
 
This design allows the user to perform the control and monitoring of tanks through the 
Arduino micro controller. 
In order to control the level we designed a programming code that allows the user to 
activate and deactivate the project actuators (water pump and solenoid valve) just by sending a 
command from the serial monitor Arduino micro controller. 
To monitor the state in which the project plan is used is lateral level sensors, ultrasonic 
sensor and temperature sensor. These sensors ensure the safety of the project. 
The side level sensors ensure that the user knows which of the three levels (low, medium 
and high) the system is also to be a prevention case the ultrasonic sensor to fail. 
The ultrasonic sensor informs the user, the amount of liters that is available in the tank 
to within three millimeters. If the user has no interest in the accurate value, it is also informed 
the entire value read by the sensor. 
To ensure that the actuators do not work above the temperature set by the manufacturer, 
responsible for monitoring the plant informs the programming code which the desired 
temperature limit. 
This whole process is monitored by serial monitor Arduino micro controller. 
Keeping the money in the choice of sensors and actuators in the project, a plan that 
allows you to control and monitor sixteen liters tanks was created. Thus, proving that the 
Arduino micro controller is able to perform small industrial applications and can be an 
alternative to the programmable logic controller. 
 
Keywords: Arduino. Control. Monitoring. Level. Ultrasonic. Temperature. 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE ABREVIATURA 
 
CLP...........................................................................................Controlador Lógico Programável 
IDE................................................................................Interface de Desenvolvimento Integrado 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
Figura 1: Modelos de Termistor.................................................................................................18 
Figura 2: Reflexão e refração da onda ultrassônica....................................................................20 
Figura 3: Modelos de sensor de nível lateral..............................................................................22 
Figura 4: Válvula solenoide.......................................................................................................23 
Figura 5: Bomba d’água industrial.............................................................................................24 
Figura 6: Micro controlador.......................................................................................................25 
Figura 7: Funcionamento de um circuito elétrico.......................................................................27 
Figura 8: Sinal elétrico sem ruído..............................................................................................30 
Figura 9: Sinal elétrico com ruído..............................................................................................31 
Figura 10: Sistemas de controle de malha aberta e malha fechada.............................................34Figura 11: Entrada do tipo impulso............................................................................................35 
Figura 12: Entrada do tipo degrau..............................................................................................35 
Figura 13: Entrada do tipo rampa...............................................................................................36 
Figura 14: Entrada do tipo senoidal...........................................................................................36 
Figura 15: Saída de um sistema com entrada do tipo degrau......................................................37 
Figura 16: Saída de um sistema com entrada do tipo degrau......................................................37 
Figura 17: Saída de um sistema com ação Proporcional............................................................38 
Figura 18: Saída de um sistema com ação Proporcional Integral...............................................39 
Figura 19: Saída de um sistema com ação Proporcional Integral Derivativo.............................40 
Figura 20: Bomba d’água usada no projeto................................................................................42 
Figura 21: Dimensões da bomba d’água....................................................................................42 
Figura 22: Eletroválvula usada no projeto.................................................................................43 
Figura 23: Funcionamento da válvula solenoide usada no projeto.............................................44 
Figura 24: Janela do monitor serial............................................................................................45 
Figura 25: Micro controlador Arduino Mega.............................................................................46 
Figura 26: Sensor de nível lateral...............................................................................................47 
Figura 27: Termistor DS18B20.................................................................................................47 
Figura 28: Sensor ultrassônico modelo HC-SR04.....................................................................48 
Figura 29: Exemplos de resistores.............................................................................................49 
Figura 30: Diodo usado no projeto.............................................................................................49 
Figura 31: Opto-isolador usado no projeto................................................................................50 
Figura 32: Rele usado no projeto...............................................................................................50 
Figura 33: Fonte de computador usada no projeto.....................................................................51 
Figura 34: Software MATLAB..................................................................................................52 
Figura 35: Ferramenta SIMULINK...........................................................................................52 
Figura 36: Planta do projeto concluída.......................................................................................54 
Figura 37: Componentes que compõem a planta do projeto.......................................................54 
Figura 38: Funcionamento do sensor ultrassônico.....................................................................55 
Figura 39: Função transferência do sensor ultrassônico.............................................................57 
Figura 40: Circuito elétrico do sensor de temperatura................................................................62 
Figura 41: Circuito elétrico do sensor de nível lateral................................................................63 
Figura 42: Circuito elétrico dos atuadores.................................................................................63 
Figura 43: Simulação realizada..................................................................................................64 
Figura 44: Monitor serial aguardando o usuário digitar o nível..................................................69 
Figura 45: Monitor serial informando o volume ocupado no tanque..........................................69 
Figura 46: Monitor serial mostrando os sensores de nível lateral em funcionamento................70 
Figura 47: Monitor serial informando a temperatura através do sensor de temperatura.............70 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Especificações técnicas da bomba d’água..................................................................43 
Tabela 2: Informações técnicas da válvula solenoide................................................................44 
Tabela 3: Informações técnicas do Arduino Mega.....................................................................46 
Tabela 4: Informações técnicas do termistor DS18B20.............................................................48 
Tabela 5: Informações técnicas do sensor ultrassônico HC-SR04.............................................48 
Tabela 6: Informações técnicas da fonte de computador..........................................................51 
Tabela 7: Tabela de custo das peças usadas na planta................................................................55 
Tabela 8: Distancia lida em relação ao tempo............................................................................56 
Tabela 9: Pressão e força de retenção da válvula solenoide comparadas a pressão e força 
exercidas da bomba d’água........................................................................................................60 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE EQUAÇÕES 
 
Equação 1: Cálculo da velocidade.............................................................................................21 
Equação 2: Cálculo da velocidade para o sensor ultrassônico....................................................21 
Equação 3: Simplificação da equação 2.....................................................................................21 
Equação 4: Exemplo de uma equação linear..............................................................................32 
Equação 5: Transformada de Laplace........................................................................................32 
Equação 6: Função transferência...............................................................................................33 
Equação 7: Algoritmo PID........................................................................................................37 
Equação 8: Algoritmo Proporcional..........................................................................................38 
Equação 9: Algoritmo Proporcional Integral.............................................................................39 
Equação 10: Transformada de Laplace da equação 3.................................................................56 
Equação 11: Cálculo da pressão.................................................................................................59 
Equação 12: Cálculo da pressão.................................................................................................59 
Equação 13: Cálculo da área......................................................................................................59 
Equação 14: Comparação das pressões da válvula solenoide e bomba d’água...........................60 
Equação 15: Comparação das forças da válvula solenoide e bomba d’água...............................60 
Equação 16: Cálculo do volume................................................................................................61Equação 17: Cálculo da vazão...................................................................................................61 
Equação 18: Transformada de Laplace da equação 17...............................................................61 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LISTA DE GRÁFICOS 
 
Gráfico 1: Degrau aplicado na entrada do sistema, X(S)............................................................57 
Gráfico 2: Saída do sistema, Y(S)..............................................................................................58 
Gráfico 3: Distância do fluido x tempo de resposta....................................................................58 
Gráfico 4: Comportamento do sistema com controle original....................................................65 
Gráfico 5: Comportamento do sistema com controle PI.............................................................66 
Gráfico 6: Comportamento do sistema com controle PD...........................................................66 
Gráfico 7: Comportamento do sistema com controle PID..........................................................67 
Gráfico 8: Comparação do sistema de controle original, PI, PD e PID.......................................68 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................17 
1.1 TEMA.................................................................................................................................17 
1.2 OBJETIVOS.......................................................................................................................17 
1.3 JUSTIFICATIVA................................................................................................................17 
2 FUNDAMENTAÇÃO.......................................................................................................18 
2.1 SENSOR DE TEMPERATURA.........................................................................................18 
2.2 SENSOR DE NÍVEL...........................................................................................................19 
2.2.1 Sensor ultrassônico........................................................................................................19 
2.2.2 Sensor de nível lateral....................................................................................................21 
2.3 VÁLVULA SOLENOIDE..................................................................................................22 
2.4 BOMBA D’ÁGUA.............................................................................................................23 
2.5 MICRO CONTROLADOR.................................................................................................24 
2.5.1 Interface de Desenvolvimento Integrado.......................................................................25 
2.6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL...............................................................25 
2.7 CLP VS MICRO CONTROLADOR...................................................................................26 
2.8 CIRCUITO ELÉTRICO......................................................................................................26 
2.8.1 Gerador elétrico.............................................................................................................27 
2.8.2 Condutor........................................................................................................................27 
2.8.3 Carga.............................................................................................................................28 
2.9 RESISTORES.....................................................................................................................28 
2.10 SEMICONDUTORES..................................................................................................28 
2.10.1 Diodos...........................................................................................................................28 
2.10.2 Opto-isolador................................................................................................................29 
2.11 RELE.............................................................................................................................29 
2.12 CAPACITOR................................................................................................................29 
2.13 RUÍDO BRANCO.........................................................................................................30 
2.14 MODELAMENTO MATEMÁTICO............................................................................31 
2.14.1 Sistema linear................................................................................................................31 
2.14.2 Transformada de Laplace..............................................................................................32 
2.14.3 Função transferência......................................................................................................33 
2.14.4 Sistemas de Controle.....................................................................................................33 
2.14.5 Estabilidade...................................................................................................................34 
2.14.6 Sinais de entrada e saída................................................................................................35 
2.14.7 Controle PID.................................................................................................................37 
2.15 SOFTWARE DE SIMULAÇÃO...................................................................................40 
3 METODOLOGIA.............................................................................................................41 
3.1 CONSTITUIÇÃO DA PLANTA........................................................................................41 
3.2 CONSTITUIÇÃO DO CIRCUITO ELÉTRICO.................................................................41 
3.3 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................................42 
3.3.1 Bomba d’água...............................................................................................................42 
3.3.2 Válvula solenoide..........................................................................................................43 
3.3.3 Micro controlador arduino.............................................................................................45 
3.3.4 Sensor de nível lateral....................................................................................................47 
3.3.5 Termistor.......................................................................................................................47 
3.3.6 Sensor ultrassônico........................................................................................................48 
3.3.7 Resistor..........................................................................................................................49 
3.3.8 Diodo 1N4007...............................................................................................................49 
3.3.9 Opto-isolador................................................................................................................50 
3.3.10 Rele...............................................................................................................................50 
3.3.11 Fonte de alimentação.....................................................................................................51 
3.3.12 Matlab...........................................................................................................................513.4 DESENVOLVIMENTO.....................................................................................................53 
3.4.1 Custo do projeto.............................................................................................................54 
3.4.2 Cálculo do tempo de resposta do sensor ultrassônico.....................................................55 
3.4.3 Sensor de nível lateral....................................................................................................59 
3.4.4 Cálculo da força e pressão dos atuadores.......................................................................59 
3.4.5 Cálculo do volume e vazão............................................................................................61 
3.4.6 Sensor de temperatura...................................................................................................61 
3.4.7 Circuito elétrico.............................................................................................................62 
3.4.8 Micro controlador..........................................................................................................63 
3.4.9 Sistema de controle no projeto.......................................................................................63 
3.4.9.1 Aplicação do sistema de controle...................................................................................64 
3.4.9.2 Controle Proporcional Integral......................................................................................65 
3.4.9.3 Controle Proporcional Derivativo.................................................................................66 
3.4.9.4 Controle Proporcional Integral Derivativo....................................................................67 
3.4.9.5 Resultado.......................................................................................................................67 
3.5 APLICAÇÃO NA PLANTA...............................................................................................68 
3.5.1 Programação..................................................................................................................68 
4 CONCLUSÃO......................................................................................................................71 
REFERÊNCIA........................................................................................................................72 
ADENDO.................................................................................................................................75 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
17 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
1.1 TEMA 
Com intuito de demonstrar que o micro controlador Arduino é capaz de realizar o 
controle e monitoramento de um sistema da mesma maneira que um controlador lógico 
programável (CLP), este projeto consiste em controlar o nível e monitorar a temperatura de dois 
tanques. 
 
1.2 OBJETIVOS 
Este projeto consiste em controlar o nível e monitorar a temperatura de dois tanques. 
A planta terá sua temperatura monitorada para evitar danos a bomba d’agua e válvula 
solenoide. 
O nível será monitorado e controlado com o uso de um sensor ultrassônico, sensores de 
nível lateral, válvulas solenoides e bombas d’água. Caso o sensor ultrassônico venha a falhar, 
os sensores de nível lateral irão informar se o nível do tanque está baixo, médio, alto ou crítico. 
Todo o monitoramento e controle serão feitos através do micro controlador Arduino. 
Como serão usadas várias entradas e saídas de um Arduino, será usado o modelo Arduino Mega. 
Como a tensão e corrente elétrica do Arduino são limitados, será usado uma fonte de 
computador, resistores, semicondutores e reles para realizar a alimentação dos sensores e 
atuadores. 
Após ligar os componentes elétricos aos sensores e atuadores e carregar o programa no Arduino 
tem-se um sistema de controle e monitoramento de tanques completo. 
 
1.3 JUSTIFICATIVA 
Demonstrar que o Arduino consegue executar processos industriais simples com baixo 
custo, sendo uma alternativa para o controlador lógico programável, industrialmente mais 
utilizado. 
18 
 
2 FUNDAMENTAÇÃO 
 
 2.1 SENSOR DE TEMPERATURA 
No meio industrial, a temperatura é uma variável de processo fundamental. Sua 
importância é devido a ampla área de aplicações em projetos físicos, químicos e de proteção a 
equipamentos. 
Dos sensores de temperatura para uso industrial, é utilizado o termistor, devido a sua 
alta sensibilidade a pequenas mudanças de temperatura. 
A figura 1, mostra alguns modelos de termistor: 
 
 
Figura 1 - Modelos de termistor. 
Fonte: Empresa tmgeletronica1. 
 
Os termistores são feitos de materiais semicondutores. Os materiais mais comuns são 
níquel, cobalto e manganês. Estes materiais proporcionam ao termistor mudanças de resistência 
elétrica de acordo com a temperatura a qual o sensor está exposto. 
 
 
1 Acessado através do endereço < http://www.tmgeletronica.com.br > em 21 de Maio de 2015. 
19 
 
Segundo Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque (2009, p. 
91): 
São resistores termicamente sensíveis. São semicondutores eletrônicos cuja 
resistência elétrica varia com a temperatura. Eles são úteis industrialmente 
para detecção automática, medição e controle de energia física. Os termistores 
são extremamente sensíveis a mudanças relativamente pequenas de 
temperatura. 
 
2.2 SENSOR DE NÍVEL 
 O nível é uma das variáveis de processo mais comuns e de grande uso em aplicações 
industriais. 
 
De acordo com Egídio Alberto Bega, et al (2006, p.143): 
A medição de nível é definida como a determinação da posição de uma 
interface entre dois meios. Usualmente, um destes meios é o líquido, mas eles 
podem ser sólidos ou a combinação de um sólido e um líquido. A interface 
pode ser entre um líquido e um gás ou vapor, dois líquidos ou entre um sólido 
e um gás. 
 
2.2.1 Sensor ultrassônico 
O sensor ultrassônico é empregado na detecção ininterrupta de nível, também podendo 
ser aplicado com a função chave de nível. 
Este sensor baseia-se na reflexão das ondas sonoras. Essas ondas sonoras possuem 
frequência de oscilação maior que as frequências ouvidas por um humano, ou seja, acima de 
20KHz. A frequência empregada neste tipo de instrumento é por volta de 26,6KHz. 
Uma onda sonora é emitida pelo sensor, essa onda colide com a barreira encontrada em 
sua área de alcance, e retorna ao sensor compensando essa barreira. 
A figura 2, exemplifica este acontecimento: 
 
20 
 
 
Figura 2 – Reflexão e refração da onda ultrassônica. 
Fonte: Bega, Egídio Alberto, et al. (2006, p. 178)2. 
 
A onda sonora é emitida e recebida através de materiais piezoeléctricos. Este material 
possui a característica de produzir um deslocamento quando lhe é aplicada uma tensão (emissão 
do sinal) e, de maneira inversa, produz uma tensão quando lhe é aplicada uma força (regresso 
do sinal). 
Através do tempo de retorno da onda sonora é calculado a distância do sensor 
ultrassônico até a barreira. 
 
Como dizem Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque (2009, 
p. 142): 
Baseado no princípio da reflexão das ondas sonoras. Quando uma onda sonora 
atravessa um meio capaz de absorver som e incide em outro meio como uma 
barreira, somente uma pequena porção é absorvida e a maior parte da onda é 
refletida pela barreira. A reflexão das ondas é um eco. [...] O tempo decorrido 
entre o instante em que o sinal é emitido e o instante em que o sinal refletido 
é recebido é uma referência para posição do nível.2 BEGA, Egídio Alberto.; Et al. Instrumentação Industrial. 2ª ed. Rio de Janeiro: Interciência: IBP 2006. 
21 
 
Segundo David Halliday, et al, (2008, p. 19)3, para realizar o cálculo do tempo entre a 
distância e tempo de resposta é usada a equação 1, desenvolvida por Isaac Newton, na qual é 
estabelecido que V é a velocidade média, x é a distância e t o tempo: 
 
𝑉 = 
𝑑𝑥
𝑑𝑡
 (1) 
 
Como o sinal que é enviado deve retornar ao sensor, o sinal de leitura é o dobro da 
distância percorrida, conforme a equação 2: 
 
𝑉 = 
2𝑑𝑥
𝑑𝑡
 (2) 
 
Sabendo-se que a velocidade do som é de 340 m/s, aplicando a velocidade do som à 
equação 2 resulta na equação 3: 
 
x = 170t (3) 
 
2.2.2 Sensor de nível lateral 
O sensor de nível lateral funciona por magnetismo. 
Na base flutuante se encontra um imã que ao alcançar a extremidade do sensor, comuta, 
executando uma função pré-determinada. 
A figura 3, mostra alguns dos sensores de nível lateral utilizados na indústria: 
 
3 HALLIDAY, David.; Et al. Fundamentos de física. 8ª ed. Rio de Janeiro: LTC, 2008. 1 v. 
22 
 
 
Figura 3 – Modelos de sensor de nível lateral. 
Fonte: Empresa Contechind4. 
 
Como dizem Daniel Thomazini e Pedro Urbano Braga de Albuquerque (2009, 
p. 129): 
[...] “A boia fica sobre o liquido e conecta ao exterior do reservatório, 
indicando diretamente o nível. A conexão pode ser direta, magnética ou 
hidráulica. ” 
 
É importante analisar se o fluido trabalhado permitirá, a base flutuante do sensor de 
nível lateral, flutuar, ao entrarem em contato. Desta maneira, ao ter o sensor submerso no fluido, 
se tem a reação desejada. 
 
2.3 VÁLVULA SOLENÓIDE 
A válvula solenoide, também chamada de eletroválvula, é um dispositivo de controle e 
automação que está presente nas mais diversas aplicações de controle de vazão no meio 
 
4 Acessado através do endereço < http://www.contechind.com.br > em 21 de Maio de 2015. 
23 
 
industrial. Esse dispositivo necessita que sua bobina seja energizada para deslocar o pino e 
realizar a tarefa de abrir ou fechar a válvula. 
A figura 4, mostra uma válvula solenoide: 
 
 
Figura 4 – Válvula solenoide. 
Fonte: Empresa proflow5. 
 
De acordo com Marco Antônio Ribeiro (2003, p. 22): 
O solenoide é um dispositivo usado para transladar sinais elétricos ON/OFF 
em movimentos mecânicos ON/OFF. Válvula é um dispositivo mecânico 
projetado para controlar a vazão de fluidos. Válvula solenoide é a combinação 
desses dois componentes básicos... 
 
2.4 BOMBA D’ÁGUA 
 Bomba d’água, também chamada de bomba hidráulica, é um dispositivo que transfere a 
energia mecânica gerada pela parte física para a água. 
A figura 5, mostra uma bomba d’água industrial: 
 
 
5 Acessado através do endereço < www.proflow.com.br > em 21 de Maio de 2015. 
24 
 
 
Figura 5 – Bomba d’água industrial. 
Fonte: Site mecanicaindustrial6. 
 
Esta transferência é realizada através de pressão, velocidade ou ascensão. Também 
podendo ser composta pela combinação destes três métodos. 
 
Segundo Marcelo Gaio Monachesi (2005, p. 63): 
“Em geral, atribui-se o termo bomba a todo equipamento capaz de transferir 
energia de determinada fonte para um líquido, de modo que esse líquido possa 
realizar determinado trabalho. ” 
 
2.5 MICRO CONTROLADOR 
Um micro controlador, é um circuito integrado (circuito eletrônico composto de 
dispositivos semicondutores) que permite a quem o manuseie definir, através de uma linguagem 
de programação, uma sequência lógica a ser seguida. 
A figura 6, mostra um micro controlador: 
 
6 Acessado através do endereço < http://www.mecanicaindustrial.com.br/ > em 21 de Maio de 2015. 
25 
 
 
Figura 6 – Micro controlador. 
Fonte: Empresa Eletrodex7. 
 
De acordo com David José de Souza (2001, p. 3): 
“Em poucas palavras, poderíamos definir o microcontrolador como um 
“pequeno” componente eletrônico, dotado de uma “inteligência” 
programável, utilizado no controle de processos lógicos. ” 
 
2.5.1 Interface de Desenvolvimento Integrado 
Interface de Desenvolvimento Integrado ou IDE, é uma plataforma oferecida por alguns 
fabricantes de micro controladores, que permitem a quem os manusear criar códigos de 
programação e visualizar dados transferidos. 
 
2.6 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL 
O Controlador Lógico Programável, ou CLP, foi desenvolvido na indústria 
automobilística com intuito de diminuir custos de instalação e manutenção de painéis de 
controles a relé. Com o CLP era possível evitar o elevado custo alusivas à fiação e manutenção. 
 
7 Acessado através do endereço < http://www.eletrodex.com.br > em 21 de Maio de 2015. 
26 
 
A evolução tecnológica deste componente permitiu a indústria elaborar equações aritméticas 
que dessem acesso a interconexão com instrumentos. Tornando assim mais fácil a admissão de 
programas e a capacidade de monitoração em tempo real. 
Segundo José Luiz Loureiro Alves (2005, p. 237), uma das especificações de um CLP 
é que seus periféricos, ou dispositivos de entrada e saída principais, não são os teclados, 
unidades de disco ou terminais de vídeo, como num computador, mas sim módulos de aquisição 
de dados de entrada e módulos para energização de saídas digitais ou analógicas. Isto é, permite 
aumentar sua quantidade de entradas e saídas que estejam dentro de sua capacidade. 
 
 2.7 CLP VS MICRO CONTROLADOR 
A grande diferença entre um CLP e um micro controlador se dá, na capacidade de 
trabalho. O termo capacidade, refere-se à memória de armazenamento, velocidade de 
processamento e quantidade de conexões de entrada e saída. Enquanto um CLP suporta a 
agressividade do meio industrial, o micro controlador já foi feito para pequenas aplicações. 
Diferente do CLP, o micro controlador trabalha com tensão e corrente elétrica menores. 
Um detalhe interessante sobre o CLP, é que em sua constituição se encontram micro 
controladores, que possuem a finalidade de completar o circuito do mesmo. Tanto o micro 
controlador, quanto o CLP, deve ser instalado em ambiente com condições favoráveis. De 
forma a prolongar a vida útil do equipamento. 
 
2.8 CIRCUITO ELÉTRICO 
Um circuito elétrico é a combinação de diferentes componentes elétricos de maneira que 
constituam um caminho unido para a corrente elétrica, ou seja, oferece a corrente elétrica a 
mesma passagem de ida e volta. 
Um circuito elétrico é composto de gerador elétrico, condutores elétricos e carga 
(componente capaz de utilizar a energia produzida). 
A figura 7, mostra o funcionamento de um circuito elétrico: 
 
27 
 
 
Figura 7 – Funcionamento de um circuito elétrico. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
Como dizem David E. Johnson, et al (1994, p. 2): 
“Um circuito elétrico, ou rede elétrica, é uma coleção de elementos elétricos 
interconectados de maneira específica. ” 
 
 2.8.1 Gerador elétrico 
 Gerador elétrico, ou fonte geradora, é um dispositivo que através de reações químicas, 
mecânicas ou qualquer outra, gera uma diferença de potencial, responsável pela energia elétrica. 
De maneira mais ampla, geradores são dispositivos que transformam determinado tipo de 
energia em energia elétrica. 
A energia elétrica é composta por três elementos: corrente elétrica, resistência e tensão 
elétrica. 
A corrente elétrica (movimento ordenado dos elétrons livres no interior dos condutores)gerada pelo gerador pode ser alternada (muda de polaridade com o tempo) ou contínua (mantem 
a mesma polaridade com o tempo). Quando esta corrente elétrica se depara com uma resistência 
(material que se opõe a passagem da corrente elétrica) é gerada a tensão elétrica. Ao 
combinarmos estes três elementos obtemos a energia elétrica. 
 
 2.8.2 Condutor 
 Condutor é o meio ao qual os elétrons livres usam para a passagem da corrente elétrica. 
28 
 
Condutores se caracterizam pela sua seção transversal (espessura), que é responsável pela 
capacidade de corrente elétrica em seu interior. Quanto maior for a seção transversal, maior a 
capacidade de transportar corrente elétrica. 
 
De acordo com Rômulo Oliveira Albuquerque (2008, p. 36): 
“A medida do fluxo de cargas, no condutor, determina a intensidade da 
corrente elétrica. ” 
 
2.8.3 Carga 
Carga é todo aparato responsável por consumir a energia elétrica fornecida pela fonte 
geradora. 
 
2.9 RESISTORES 
 A função do resistor, é limitar a passagem da corrente elétrica. Isto é, reduz a corrente 
elétrica que passa no circuito. 
Os resistores são feitos de vários materiais, para diversas aplicações, os mais comuns 
são de carvão, filme metálico e nicromo. 
 
2.10 SEMICONDUTORES 
 
2.10.1 Diodos 
Diodo é um dispositivo eletrônico feito de cristal semicondutor de silício ou germânio. 
Seus lados possuem diferentes polaridades, conhecidos como anodo e catodo, sendo o anodo o 
lado positivo e o catodo o negativo. Pode ser usado como retificador de tensão e, como 
dispositivo de proteção. 
 
De acordo com Angelo Eduardo B. Marques, et al (2001, p. 31): 
[...], “o diodo é um dispositivo que bloqueia toda passagem de corrente num 
sentido e permite a passagem no outro. ” 
29 
 
 2.10.2 Opto-isolador 
 Um opto-isolador é um dispositivo eletrônico feito de foto-transistor e LED. Ao aplicar 
uma tensão no LED, o acendendo, o que aciona o foto-transistor, permitindo a passagem da 
corrente elétrica. De acordo com o brilho do LED, que varia de acordo com a corrente elétrica 
fornecida para o mesmo, maior é a passagem da corrente elétrica no foto-transistor. 
 
Como dizem Angelo Eduardo B. Marques, et al (2001, p. 351): 
“Um foto-transistor trabalha geralmente em conjunto com um LED, sendo, 
por isso, amplamente utilizado na construção de foto-acopladores dos mais 
diversos tipos”, [...]. 
 
2.11 RELE 
O rele é um dispositivo eletromecânico que funciona como um interruptor, ao ter sua 
bobina energizada, um campo magnético é gerado, fechando os contatos internos, permitindo a 
passagem da tensão da mesma maneira que um interruptor. 
 
De acordo com Diego Marcelo dos Santos (infoescola8): 
Podemos considerar o funcionamento dos reles bem simples, eles trabalham 
da seguinte forma: quando uma corrente circula pela bobina, esta cria um 
campo magnético que atrai um ou uma série de contatos fechando ou abrindo 
circuitos. 
 
2.12 CAPACITOR 
Segundo Charles A. Desoer e Ernest S. Kuh (1979, p. 32): 
“Os capacitores são usados em circuitos elétricos porque armazenam cargas 
elétricas. ” 
 
Com a adição de um filtro capacitivo no circuito elétrico, as cargas que causam o ruído 
branco têm sua variação de tensão anulada através do tempo de passagem pelo capacitor. 
 
8 Acessado através do endereço < http://www.infoescola.com/eletronica/rele/>, em 29 de Abril de 2015. 
30 
 
2.13 RUÍDO BRANCO 
O ruído branco é provocado pela agitação dos elétrons nos condutores. É predominante 
nos resistores, bobinas e dispositivos semicondutores. 
Ruído é um sinal indesejável. Uma das maneiras de evitar o ruído, é através de filtros 
capacitivos. 
 
Segundo Álvaro Gomes de Carvalho e Luiz Fernando da Costa Badinhan 
(2011, p. 40): 
“É o resultado da agitação térmica dos elétrons existentes na matéria. Pode ser 
percebido nas formas de corrente elétrica, quando gerado internamente em 
dispositivos eletrônicos, e de onda eletromagnética, no espaço livre. ” 
 
A figura 8, mostra um sinal elétrico sem ruído e, a figura 9 mostra um sinal elétrico com ruído: 
 
 
Figura 8 – Sinal elétrico sem ruído. 
Fonte: Biblioteca online Scielo9. 
 
 
9 Acessado através do endereço < www.scielo.br >, em 21 de Maio de 2015. 
31 
 
 
Figura 9 – Sinal elétrico com ruído. 
Fonte: Biblioteca online Scielo9. 
 
2.14 MODELAMENTO MATEMÁTICO 
Para concretizar a automação e controle de um sistema físico ou componente, é 
necessário realizar modelamentos matemáticos. Desta maneira, é possível verificar se o código 
de automação e controle elaborado, ao ser aplicado ao componente ou meio físico, irá informa 
a resposta desejada. 
 
Como dizem Plínio Castrucci e Léo Batista (1991, p. 9): 
O comportamento dos componentes ou dos sistemas físicos é usualmente tão 
complexo que sua descrição completa se torna intratável pelos métodos 
matemáticos usuais. O recurso de que se dispõe é o de idealizar aquele 
comportamento, desprezando maior ou menor número de minúcias; a cada 
idealização corresponde um modelo matemático do componente ou do 
sistema. 
 
Para que se possa utilizar o modelamento matemático em sistemas de automação e 
controle é recomendado que se trabalhe com equações algébricas. 
 
2.14.1 Sistema linear 
Um sistema é composto de componentes conexos onde se encontram variáveis 
dinâmicas conhecidas como entradas e saídas. Para analisar o sistema deve-se observar o seu 
comportamento quando submetido a um estímulo específico ou conjunto de estímulos. 
32 
 
A análise começa através das características dos elementos individuais, representados 
por modelos matemáticos, e em seguida são combinados para se obter o sistema, desta forma 
obtendo a resposta do sistema. 
 
Segundo Ralph J. Schwarz e Bernard Friedland (1972, p. 11): 
“Um sistema é linear se ele satisfaz ao princípio da superposição. ” 
 
A equação 4 representa um sistema linear, onde a e b são constantes de qualquer valor, 
e x1 e x2 são sinais de entrada quaisquer: 
 
R(a x1 + b x2) = a R x1 + b R x2 (4) 
 
2.14.2 Transformada de Laplace 
 A transformada de Laplace busca transformar equações diferenciais em equações 
algébricas. Facilitando o desenvolvimento de sistemas de controle e automação. 
 
De acordo com Antônio Carlos Zambroni de Souza e Carlos Alberto Murari 
Pinheiro (2008, p. 26): 
“A transformada de Laplace permite, basicamente, que equações diferenciais 
com coeficientes constantes sejam convertidas em equações algébricas. Isso 
facilita enormemente as manipulações e os cálculos. ” 
 
Para que a transformada de Laplace exista, a equação a ser transformada deve ser de 
ordem exponencial. 
A transformada de Laplace pode ser representada pela equação 5, onde F(S) é a 
representação da função em Laplace, L[f(t)] é a representação da conversão da equação 
diferencial f(t), St é adimensional e dt é a derivada em função do tempo: 
 
F(S) = L[f(t)] = ∫ 𝑓(𝑡)𝑒
∞
0−
-St dt (5) 
33 
 
 2.14.3 Função transferência 
Função transferência é o quociente da saída de um sistema pela sua entrada. Isto somente 
é possível após obter a transformada de Laplace de uma função exponencial. 
Como dizem Plínio Castrucci e Léo Batista (1991, p.12): 
“Função transferência de um sistema linear é o quociente da transformada de 
Laplace da saída do sistema pela entrada do mesmo, quando todas as 
condições iniciais são nulas. “ 
 
Uma função transferência qualquer pode ser representada pela equação 6, onde X(S) 
representa a entrada do sistema, Y(S) a saída do sistema e,G(S) a função transferência do 
sistema: 
 
G(S) = 
𝑌(𝑆)
𝑋(𝑆)
 (6) 
 
 2.14.4 Sistemas de controle 
 Os sistemas de controle são separados em três categorias: Realimentado, de malha 
fechada e de malha aberta. 
Segundo Katsuhiko Ogata (2009, p. 5): 
 
A. Sistemas de controle com realimentação: 
“Um sistema que estabeleça uma relação entre a saída e a entrada de 
referência, utilizando a diferença como meio de controle, é denominado 
sistema de controle com realimentação. ” 
 
B. Sistemas de controle de malha fechada: 
Os sistemas de controle com realimentação são, com frequência, denominados 
também sistemas de controle de malha fechada. [...]. Em um sistema de 
controle de malha fechada, o sinal de erro atuante, que é a diferença entre o 
sinal de entrada e o sinal de realimentação [...], realimenta o controlador, de 
modo que minimize o erro e acerte a saída do sistema ao valor desejado. 
 
34 
 
C. Sistemas de controle de malha aberta: 
“Os sistemas de controle de malha aberta são aqueles em que o sinal de saída 
não exerce nenhuma ação de controle no sistema. ” 
 
A figura 10, mostra sistemas de controle de malha aberta e malha fechada: 
 
 
 
Figura 10 - Sistemas de controle de malha aberta e malha fechada. 
Fonte: Ogata, Katsuhiko. (2003, p. 89)10. 
 
 
Ao comparar o sistema de malha aberta com o sistema de malha fechada, é observado 
que o sistema de malha aberta é mais fácil de ser elaborado, pelo fato da estabilidade do sistema 
ser um problema menos significativo, enquanto um sistema de malha fechada possui maior 
imunidade a distúrbios. 
 
2.14.5 Estabilidade 
De acordo com José Luiz Loureiro Alves (2005, p. 162), através da análise de 
estabilidade no domínio de Laplace, têm-se que verificar apenas o lugar das raízes da equação 
 
10 OGATA, Katsuhiko. Engenharia de Controle Moderno. 4ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2003. 
35 
 
característica do denominador no plano complexo s. As raízes do denominador que o anulam 
são chamadas polos da função. 
 
2.14.6 Sinais de entrada e saída 
 As entradas mais comuns em modelos matemáticos lineares de sistemas dinâmicos são 
o impulso, o degrau, a rampa e o senoidal. 
A figura 11 mostra um sinal de entrada do tipo impulso, a figura 12 mostra um sinal de 
entrada do tipo degrau, a figura 13 mostra um sinal de entrada do tipo rampa e a figura 14 
mostra um sinal de entrada do tipo senoidal: 
 
 
Figura 11 – Entrada do tipo impulso. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
 
 
Figura 12 – Entrada do tipo degrau. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
36 
 
 
Figura 13 – Entrada do tipo rampa. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
 
Figura 14 – Entrada do tipo senoidal. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
De acordo com Antônio Carlos Zambroni de Souza e Carlos Alberto Murari 
Pinheiro (2008, p. 135): 
“As repostas podem ser obtidas através de métodos analíticos ou numéricos 
quando se conhecem os modelos matemáticos dos sistemas, ou mediante 
medidas experimentais efetuadas em sistemas reais. ” 
 
As saídas dos sistemas podem assumir diversas formas, para exemplificar, as figuras 15 
e 16 mostram as respostas de saída de um sistema de entrada do tipo degrau: 
 
37 
 
 
Figura 15 – Saída de um sistema com entrada do tipo degrau. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
Figura 16 – Saída de um sistema com entrada do tipo degrau. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
2.14.7 Controle PID 
 O controlador PID (Proporcional Integral Derivativo) é um método de controle muito 
usado na indústria. Sua principal função é evitar o erro do sistema de controle. 
Segundo José Luiz Loureiro Alves (2005, p. 150), o algoritmo PID nasceu na indústria 
como uma estrutura capaz de ser usada como ganho do controlador. 
O algoritmo PID é mostrado na equação 7, onde u é a variável de controle, K o ganho 
proporcional, e o erro de controle, Ti o tempo integral e Td o tempo derivativo: 
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 [𝑒(𝑡) +
1
𝑇𝑖
∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 
𝑇
0
+ 𝑇𝑑
𝑑𝑒
𝑑𝑡
] (7) 
38 
 
 
Como dizem Mario Cesar M. Massa de Campos e Herbert C. G. Teixeira 
(2006, p. 23): 
Um controlador PID calcula inicialmente o “erro” entre a sua variável 
controlada (medida no processo) e o seu valor desejado (“setpoint”), e em 
função deste erro gera um sinal de controle, de forma a eliminar este desvio. 
O algoritmo PID usa o erro em três módulos distintos para produzir a sua saída 
ou variável manipulada: o termo proporcional (P), o Integral (I) e o derivativo 
(D). 
 
Os principais métodos de controle encontrados na prática são: 
 
A. Proporcional (P). 
O controlador Proporcional (P) origina uma saída proporcionalmente ao erro (e(t)). 
A equação 8, mostra o algoritmo do controle Proporcional, onde Kp é o fator multiplicativo 
conhecido como ganho do controlador e u(t) a saída: 
 
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡) (8) 
 
A figura 17, mostra a saída de um sistema com controle Proporcional: 
 
Figura 17 – Saída de um sistema com ação Proporcional. 
Fonte: Bega, Egídio Alberto, et al. (2006, p. 178)11. 
 
 
39 
 
B. Proporcional Integral (PI). 
O Controlador Proporcional Integral (PI) origina a sua saída proporcionalmente ao erro (P) 
e proporcionalmente à integral do erro (I). 
A equação 9, mostra o algoritmo do controle Proporcional Integral, onde se tem o controle 
Proporcional somado ao fator multiplicativo do ganho integral (1/Ti), sendo o termo Ti referente 
ao tempo integral: 
 
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑝 [𝑒(𝑡) + 
1
𝑇𝑖
∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡] (9) 
 
A figura 18, mostra a saída de um sistema com controle Proporcional Integral: 
 
Figura 18 – Saída de um sistema com ação Proporcional Integral. 
Fonte: Bega, Egídio Alberto, et al. (2006, p. 178)11. 
 
C. Proporcional Integral Derivativo (PID). 
O controlador Proporcional Integral Derivativo (PID) gera sua saída proporcionalmente ao 
erro (P), proporcionalmente à integral do erro (I) e proporcionalmente à derivada do erro (D). 
A equação 7, mostra o algoritmo do controle Proporcional Integral Derivativo, onde se tem 
o controle Proporcional e Integral, somados ao tempo Derivativo do controlador, onde o fator 
multiplicativo é Td. 
A figura 19, mostra a saída de um sistema com controle Proporcional Integral Derivativo: 
40 
 
 
Figura 19 – Saída de um sistema com ação Proporcional Integral Derivativo. 
Fonte: Bega, Egídio Alberto, et al. (2006, p. 178)11. 
 
2.15 SOFTWARE DE SIMULAÇÃO 
Software de simulação é um algoritmo responsável por realizar medições de acordo os 
sistemas físicos. Isto é, o software de simulação irá, como o próprio nome já diz, simular o 
comportamento do meio físico de um determinado sistema. 
 
Segundo o dicionário Michaelis12, software é: 
Qualquer programa ou grupo de programas que instrui o hardware sobre a 
maneira como ele deve executar uma tarefa, inclusive sistemas operacionais, 
processadores de texto e programas de aplicação. 
 
Também segundo o dicionário Michaelis12, simulação é: 
Ato ou efeito de simular; fingimento. 
 
 
 
 
 
 
 
11 BEGA, Egídio Alberto.; Et al. Instrumentação Industrial. 2ª ed. Rio de Janeiro: Interciência: IBP 2006. 
12 Acessado através do endereço < http://michaelis.uol.com.br > em 22 de Maio de 2015. 
41 
 
3 METODOLOGIA 
 
3.1 A PLANTA É CONSTITUÍDA DE: 
 
A. Tanques. 
B. Válvulas solenoide. 
C. Boias de nível lateral. 
D. Bombas d’água. 
E. Sensor ultrassônico. 
F. Sensores de temperatura. 
 
3.2 OCIRCUITO ELÉTRICO É CONSTITUÍDO DE: 
 
A. Resistores. 
B. Semicondutores. 
C. Reles. 
D. Fonte de Alimentação. 
E. Micro controlador Arduino. 
 
A metodologia aplicada a este projeto envolve as seguintes etapas: 
 
1. Realizar o levantamento de materiais que garantam boa qualidade e melhor custo 
benefício através de pesquisas. 
 
2. Analisar o projeto proposto, que consiste em examinar seus benefícios, funções e sua 
aplicação no mundo real. 
 
3. Implementação, que consiste em colocar em prática o projeto proposto, ou seja, executá-
lo. 
42 
 
3.3 MATERIAIS E MÉTODOS 
 
3.3.1 Bomba d’água 
 A bomba usada no projeto é a bomba modelo SFBP1-G350-01, fabricada pela empresa 
SEAFLO, a qual é recomendada para uso náutico, campestre e industrial. 
 
Figura 20 – Bomba d’água usada no projeto. 
Fonte: SEAFLO13. 
O tamanho da bomba d’água, a força e a vazão foram os responsáveis pela sua aplicação 
na planta. 
Apesar da pressão que a bomba d’água exerce não ser alta, ainda assim atende todos os 
requisitos para que a válvula solenoide permita que fluido passe para os tanques. 
 
Figura 21 - Dimensões da d’água bomba. 
Fonte: SEAFLO13. 
 
 
13 Acessado através do endereço < http://www.seaflo.com/en/productDetail_285.html >. Acesso em 27 de 
Fevereiro de 2015. 
43 
 
A tabela 1 informa os dados do fabricante SEAFLO: 
 
Tabela 1 – Especificações técnicas da bomba d’água. 
Modelo SFBP1-G350-01 
Taxa de fluxo 350 GPH 
Tensão 12V (CC) 
Corrente 1.8 A 
Altura da coluna d’água 3m 
Comprimento fio 1m 
Dimensão de saída 19mm - 3/4” 
Temperatura máxima do fluido 43°C – 110°F 
Temperatura máxima do motor 43°C – 110°F 
Fonte: SEAFLO13. 
 
3.3.2 Válvula solenoide 
 A eletroválvula usada no projeto não é de um fabricante conhecido, o que limita o 
projeto às informações fornecidas pela empresa Mercado livre. 
 
 
Figura 22 - Eletroválvula usada no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
A figura 23 demonstra o funcionamento desta válvula ao ser energizada: 
44 
 
 
 
Figura 23 – Funcionamento da válvula solenoide usada no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
Tabela 2 – Informações técnicas da válvula solenoide. 
Modelo Válvula solenoide 12V 3/4” – 3/4” 
Material do corpo Termoplástico 
Material do filtro Plástico 
Material das partes metálicas Aço zincado 
Material da membrana Borracha 
Material dos terminais Latão 
Pressão de operação 0,2 kgf/cm² – 4 kgf/cm² 
Vazão 0,2 kgf/cm² - 7 L/min 
4 kgf/cm² - 40 L/min 
Temperatura máxima do líquido 60°C 
Vida útil 50.000 operações 
Fonte: Mercado livre.14 
 
 
 
 
14 Acessado através do endereço < http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-577217300-sensor-nivel-agua-
lateral-chave-onoff-aquario-arduino-caixa-_JM >. Acesso em 16 de Setembro de 2014. 
45 
 
3.3.3 Micro controlador Arduino 
 O micro controlador Arduino é uma plataforma open-source (código aberto) que apesar 
de ser uma novidade, está ganhando o mercado devido ao baixo custo, linguagem de nível 
mediano e com uma grande quantidade de usuários. 
Sua IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado) pode ser baixada gratuitamente no 
site do fabricante. Na IDE é onde a programação é realizada, através de linguagem de 
programação de alto nível, linguagem de programação C. Na barra de menus da IDE, a opção 
ferramentas, está disponível uma ferramenta chamada de monitor serial. Ao seleciona-la é 
aberto uma nova janela, através desta janela, será enviado os comandos de acionamento dos 
atuadores e, também, por onde serão recebidos os dados dos sensores. 
A figura 24, mostra como é o monitor serial: 
 
 
Figura 24 – Janela do monitor serial. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
46 
 
O Arduino é fabricado em vários modelos que se diferem por seus chips controladores, 
responsáveis pela memória de armazenamento, velocidade de processamento e quantidade de 
entradas e saídas. 
No mercado nacional os modelos mais conhecidos são o Arduino UNO e o Arduino 
Mega. 
No projeto é usado o modelo Arduino Mega. 
 
Figura 25 - Micro controlador Arduino Mega. 
Fonte: Empresa Arduino15. 
 
A tabela 3 apresenta as informações técnicas do Arduino Mega: 
 
Tabela 3 – Informações técnicas do Arduino Mega. 
Chip micro controlador ATMega 2560 
Tensão de operação 5V (CC) 
Tensão de entrada (recomendado) 7V – 12V (CC) 
Tensão de entrada (limite) 6V – 20V (CC) 
Pinos digitais (I/O) 54 (sendo 15 com saída PWM) 
Pinos de entrada analógicas 16 
Corrente DC por pino I/O 40mA 
Corrente DC para o pino 3.3V 50mA 
Fonte: Empresa Arduino15. 
 
15 Acessado através do endereço < www.arduino.cc >. Acesso em 16 de Setembro de 2014. 
47 
 
3.3.4 Sensor de nível lateral 
 
Figura 26 – Sensor de nível lateral. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
O sensor de nível lateral possui uma potência de 40W. Serão alimentadas com 5Vcc, e 
a corrente elétrica será limitada com um resistor de 100.000Ω (100KΩ). 
No projeto, é conectado a uma porta digital do micro controlador, onde irá informar 0 
se desligado, e 1 se ligado. 
 
3.3.5 Termistor 
 O modelo utilizado no projeto é o DS18B20, um semicondutor eletrônico cuja 
resistência elétrica varia de acordo com a temperatura. Sua vantagem é a sensibilidade a 
pequenas mudanças de temperatura. 
 
Figura 27 - Termistor DS18B20. 
Fonte: Empresa ROBOCORE.16 
 
 
 
16 Acessado através do endereço < https://www.robocore.net/ > em 16 de Setembro de 2014. 
48 
 
Tabela 4 - Informações técnicas do termistor DS18B20. 
Tensão de trabalho 3.3Vcc ~ 5Vcc 
Distância de cabo 1m 
Temperatura de operação -55 ~ +125°C 
Número de Conexões de dados 1 
Precisão de operação ±5°C 
Fonte: Empresa ROBOCORE14. 
 
3.3.6 Sensor ultrassônico 
 O modelo utilizado no projeto é o HC-SR04. Um fato importante a ser considerado sobre 
esse sensor é ter de liberar no mínimo 1cm de alcance para o sensor. Isto porque se a distância 
for menor que 1cm, é considerada zona morta, os valores se tornam inválidos. 
 
Figura 28 - Sensor ultrassônico modelo HC-SR04. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
Tabela 5 - Especificações técnicas do sensor ultrassônico HC-SR04. 
Modelo HC-SR04 
Tensão de funcionamento 5Vcc 
Corrente ≤2mA 
Saída de sinal Frequência elétrica 
(5Vcc alto/ 0Vcc baixo) 
Ângulo de operação ≤15° 
Distância de operação 2cm a 450cm 
Precisão ≥3mm 
Fonte: Mercado livre17. 
 
17 Acessado através do endereço < http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-572968169-sensor-distncia-
ultrassom-pic-atmega-arduino-rob-_JM >. Acesso em 16 de Setembro de 2014. 
49 
 
3.3.7 Resistor 
Para diminuir a corrente elétrica, é utilizado resistores de 100.000Ω (100KΩ), 4.700Ω 
(4.7kΩ) e 100Ω. Assim quando tiver uma tensão de 12Vcc têm-se uma corrente elétrica de 
0,12mA, 2,55mA e 120mA, e com uma tensão de 5Vcc tem-se uma corrente elétrica de 
0,05mA, 1,06mA e 50mA. 
 
Figura 29 - Exemplos de resistores. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
Os resistores usados no projeto são de 10.000Ω (10KΩ), 4.700Ω (4.7kΩ) e 100Ω. São 
feitos de filme metálico e suportam corrente elétrica de até 0,1A. Os componentes elétricos ao 
qual as resistências são aplicadas não excedem a corrente elétrica de 0,1A. 
 
3.3.8 Diodo 1N4007 
O diodo usado no projeto é o modelo 1N4007. Este modelo suporta corrente elétricade 
até 1A e até 1000V de tensão elétrica. No projeto sua função é evitar que a corrente de pico 
gerada pelo acionamento das bobinas do rele retorne para o opto-isolador, assim evitando danos 
ao circuito. 
 
Figura 30 – Diodo usado no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
50 
 
3.3.9 Opto-isolador 
O opto-isolador usado no projeto é o modelo 4N33. O opto-isolador 4N33 suporta 
corrente elétrica de até 125mA. No projeto sua função é permitir a passagem da corrente de 
acordo com a luminosidade emitida pelo LED. 
O LED do opto-isolador utilizado requer uma corrente elétrica máxima de 50mA para 
operar, como no projeto o LED é alimentado com 5Vcc, terá sua corrente elétrica limitada com 
o uso de resistores de 100Ω. 
 
Figura 31 – Opto-isolador usado no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
3.3.10 Rele 
O rele usado no projeto é do fabricante SONGLE. O modelo usado é o SRD-112VDC-
SL-C. Este modelo trabalha com tensão elétrica de 12Vcc e requer uma corrente elétrica de 
37.5mA para fechar o contato entre as bobinas. 
Para acionar a bomba d’água e a válvula solenoide é utilizado um rele de 12Vcc. Este 
rele é acionado ao energizar o LED do opto-isolador. Na planta do projeto, é usado o modelo 
SRD-112VDC-SL-C. 
 
Figura 32 – Rele usado no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores 
 
 
51 
 
3.3.11 Fonte de alimentação 
 A fonte de alimentação usada no projeto é uma fonte de computador da BraView. Sua 
principal vantagem é a capacidade de corrente elétrica e as tensões oferecidas. 
As fontes de computadores oferecem tensões de 5Vcc, -5Vcc, 12Vcc, -12Vcc e 3,3Vcc. 
Das tensões elétricas fornecidas pela fonte, é usada apenas 12Vcc. 
 
Tabela 6 - Informações técnicas da fonte de computador. 
Modelo 3V 5V 12V -12V 5Vsb 
ATX-700204 28A 30A 15A 0.8A 1,5A 
Fonte: Fabricante BraView. 
 
 
Figura 33 – Fonte de computador usada no projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 3.3.12 Matlab 
O software MATLAB (MATrix LABoratory) é uma ferramenta de linguagem de alto 
nível usada por milhões de engenheiros e cientistas pelo mundo. 
A figura 34, mostra a interface do software MATLAB: 
 
52 
 
 
Figura 34 – Software MATLAB. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
Dentro do software MATLAB existem diversas ferramentas para modelagem de 
sistemas. Para verificar o comportamento do sistema utilizado no projeto, é usado a ferramenta 
SIMULINK. 
Engenheiros de várias especialidades usam o SIMULINK para testar seus novos 
projetos. 
A figura 35, mostra a janela da ferramenta SIMULINK: 
 
Figura 35 – Ferramenta SIMULINK. 
53 
 
Através desta ferramenta é feito os testes do sistema de controle aplicado no projeto. 
Bastando apenas selecionar o bloco correspondente a ação desejada e configura-lo de acordo 
com o seu sistema. 
Desta maneira, realizando a simulação da ação do seu sistema de controle no meio físico do 
projeto. 
 
3.4 DESENVOLVIMENTO 
 O projeto visa demostrar que o micro controlador Arduino é capaz de realizar pequenas 
aplicações industriais no lugar de um CLP. Desta maneira é criada uma planta de controle e 
monitoramento de tanques por meio do micro controlador Arduino. 
Para representar os tanques, foram usados galões d’água de 20 litros. 
A conexão entre os tanques foi feita com mangueira de 3/4”. 
Como os componentes usados possuem diâmetro externo de 1”, é utilizado virolas de 
3/4” para 1” para realizar as conexões com a mangueira e joelhos de 3/4" para criar o ângulo 
de 90º para a válvula solenoide. 
Para evitar um possível vazamento é utilizado uma tira de borracha para vedação. 
Como ainda assim é encontrado pequenos vazamentos, mesmo com a tira de borracha, 
é utilizado solda fria, para vedar completamente a conexão. 
Para colocar as bombas dentro do tanque, remove-se o bico dos galões de forma a 
remover o mínimo de espaço necessário. 
E por fim, perfurou-se o topo do galão para passagem do sensor de temperatura. 
A figura 36, mostra a planta do projeto concluída e a figura 37, mostra os componentes 
que compõem a mesma, na qual (A) é o tanque, (B) é a válvula solenoide, (C) são as boias de 
nível lateral, (D) a bomba d’água, (E) o sensor ultrassônico e (F) o sensor de temperatura: 
 
54 
 
 
Figura 36 – Planta do projeto concluída. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
Figura 37 – Componentes que compõem a planta do projeto. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
3.4.1 Custo do projeto 
Foram calculados o custo dos equipamentos para desenvolvimento do projeto visando 
o estudo de viabilidade. 
A tabela 7 apresenta o custo dos materiais usados no projeto: 
 
 
55 
 
Tabela 7 - Tabela de custo das peças usadas na planta. 
PRODUTO QUANTIDADE CUSTO 
Bomba d’água SEAFLO 350gph 3/4" 2 R$ 99,54 
Válvula Solenoide 3/4" 2 R$ 55,40 
Sensor de Temperatura DS18B20 2 R$ 24,00 
Sensor ultrassônico HC-SR04 1 R$ 16,00 
Sensor de nível lateral 6 R$ 95,94 
Resistor 8 R$ 1,60 
Diodo 2 R$ 1,00 
Opto-isolador 2 R$ 6,00 
Rele 2 R$ 10,00 
Arduino Mega 2560 1 R$ 200,00 
TOTAL 28 R$ 509,48 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
3.4.2 Cálculo do tempo de resposta do sensor ultrassônico 
O sensor ultrassônico usado no projeto envia uma onda sonora (trig) com um tempo 
mínimo de 10us (microssegundos) e recebe de volta esta onda sonora (echo) entre 150us e 25ms 
(milissegundos). 
A figura 38, mostra o funcionamento do trig e do echo: 
 
 
Figura 38 - Funcionamento do sensor ultrassônico. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
56 
 
Sabe-se que deve ser mantido uma distância mínima de 2cm e máxima de 30cm, 
referentes à altura do tanque. Para demonstração é utilizado a tabela 8: 
 
Tabela 8 – Distância lida em relação ao tempo. 
Distancia em 
metros 
Tempo em 
segundos 
0,02 0,000135294 
0,10 0,000605882 
0,20 0,001194118 
0,30 0,001782353 
0,40 0,002370588 
0,50 0,002958824 
0,60 0,003547059 
0,70 0,004135294 
0,80 0,004723529 
0,90 0,005311765 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
Considerando a equação 3 - item 2.2, a função f(x) e, considerando ainda que o sistema 
possui comportamento dinâmico de primeira ordem. Aplicando a transformada de Laplace a 
esta função, temos a equação 10, esta sendo a função transferência do sistema de controle do 
projeto, onde F(S) é a representação da função em Laplace, L[f(t)] é a representação da 
conversão da equação diferencial f(t): 
 
F(X) = L[f(t)] = 
170
𝑠+1
 (10) 
 
57 
 
Para realizar a modelagem matemática do sensor ultrassônico é usado o software de 
modelagem matemática MATLAB. Neste software, existe uma ferramenta chamada 
SIMULINK, onde é realizado a montagem do sistema do sensor ultrassônico. 
A função transferência do sensor ultrassônico pode ser representada pela figura 39, onde 
X(S) é a entrada e Y(S) a saída: 
 
Figura 39 - Função transferência do sensor ultrassônico. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
A entrada X(S) recebe um degrau conforme mostrado pelo gráfico 1: 
 
 
Gráfico 1 – Degrau aplicado na entrada do sistema, X(S). 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
O degrau enviado pela entrada X(S), levou durante a simulação realizada, 0,0017 
segundos para retornar ao sensor. O tempo levado é recebido pelo micro controlador, que 
58 
 
calcula e encontra a distância do fluido, onde sai por Y(S) de maneira estável, conforme 
mostrado pelo gráfico 2: 
 
Gráfico 2 – Saída do sistema, Y(S). 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
O sensor ultrassônico, executa de forma linear a leitura da distância do fluido em relação 
ao tempo de resposta, conforme mostrado pelo gráfico 3,levantado através dos dados obtidos 
através da equação 3 (Adendo A): 
 
Gráfico 3 – Distância do fluido x tempo de resposta. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
0,00E+00
2,00E-04
4,00E-04
6,00E-04
8,00E-04
1,00E-03
1,20E-03
1,40E-03
1,60E-03
1,80E-03
2,00E-03
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Gráfico distancia x tempo
59 
 
3.4.3 Sensor de nível lateral 
 Caso o sensor ultrassônico venha a falhar, o sistema ainda deve ser capaz de informar 
em qual nível o tanque se encontra, assim evitando um possível acidente. 
A vantagem da aplicação do sensor de nível lateral no projeto, é que tanto o tanque 
principal quanto o reservatório irão informar em qual nível se encontram, sendo estes níveis 
alto, médio, baixo e crítico. 
Ao detectar que o nível está crítico ou alto o micro controlador irá desativar a bomba 
d’água e a válvula solenoide do tanque correspondente. 
 
3.4.4 Cálculo da força e pressão dos atuadores 
A pressão e a força que a bomba d’água exerce sob a válvula solenoide influencia na 
vazão, ou seja, no tempo para encher o tanque e o reservatório. 
Para saber se a força que a bomba d’água exerce é maior que a força exigida pela válvula 
solenoide, são utilizadas as equações 11 e 12 para calcular a pressão, onde P é a pressão, F a 
força, A a área, 𝜌 a densidade e g a gravidade: 
 
𝑃 =
𝐹
𝐴
 (11) 
 
𝑃 = 𝜌. 𝑔. ℎ (12) 
 
Na equação 12, é considerado o valor da gravidade como sendo g = 9,81m/s². 
Antes de aplicar a fórmula para calcular a força que a bomba d’água exerce, é preciso 
saber qual a área de saída da bomba d’água. Para isso é utilizada a equação 13, onde A é a área 
e r o raio: 
 
𝐴 = 𝜋𝑟2 (13) 
 
60 
 
A saída da bomba d’água possui diâmetro de 3/4”. Possuindo um raio de 0,95cm. Ao 
aplicar o raio na equação 13, obtêm-se uma área de 2,83cm². 
Antes de voltar à equação 12, é preciso saber a densidade (𝜌) do fluido trabalhado. 
O fluido utilizado no projeto é água, sua densidade (𝜌) é de 1000Kg/m³. 
Aplicando a densidade na equação 12, é encontrada uma pressão (P) de 0,2943Kgf/cm². 
Ao utilizar essa pressão na equação 11, é encontrada a força exercida pela bomba (Fb), 
que é de 0,8328N. 
Sabe-se que a válvula solenoide exerce pressão contra a bomba d’água, que é de 
0,2kgf/cm², e que sua área é a mesma da bomba d’água. Ao calcular a força requerida pela 
válvula solenoide (Fv) para ser aberta, através da equação 11, é obtido o valor referente a força 
de 0,566N. 
Assim é observado que a pressão da bomba d’água é maior que a pressão da válvula, 
conforme representado pelas equações 14 e 15, onde Pb é a pressão da bomba d’água, Pv é a 
pressão da válvula solenoide, Fb a força da bomba d’água, Fv a força da válvula solenoide. 
(𝑃𝑏 > 𝑃𝑣) (14) 
(𝐹𝑏 > 𝐹𝑣) (15) 
 
Para comparar os valores obtidos, é utilizada a tabela 9: 
Tabela 9 - Pressão e força de retenção da válvula solenoide comparadas a pressão e força exercidas da bomba 
d’água. 
Pressão exercida pela bomba d’água 0,2943Kgf/cm² 0,29Bar 0,03Mpa 
Força exercida pela bomba d’água 0,8328N X X 
Pressão de retenção exercida pela válvula 
solenoide 
0,2Kgf/cm² 0,2Bar 0,02Mpa 
Força de retenção exercida pela válvula solenoide 0,566N X X 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
 
61 
 
3.4.5 Cálculo do volume e vazão 
Para prosseguir com o projeto, deve-se medir o tempo necessário para encher o tanque. 
Com o uso de um cronômetro, foi medido o tempo de 00:02:59,8 minutos ≅ 3 minutos. 
Em seguida é calculado o volume do tanque. Para isso é utilizada a equação 16, onde V 
é o volume, r o raio e h a altura: 
𝑉 = 𝜋𝑟2ℎ (16) 
 
Ao medir o raio (r) e a altura (h) do tanque, que é r = 13,05 cm e h = 30 cm. É calculado 
o volume de 16 L. 
Com o volume e o tempo para encher o tanque obtidos, é possível calcular a vazão com 
que o tanque é preenchido. Para isso é utilizada a equação 17, onde Q é a vazão, V o volume e 
t o tempo: 
 
𝑄 = 
𝑉
𝑡
 (17) 
 
Feito o cálculo, é encontrada a vazão com que o tanque é preenchido, que é de 5,3 L/min, 
ou 320 L/h. 
Sendo a vazão da bomba de 0,067 L/s, e colocando a equação 17 sob domínio de Laplace 
e, considerando ainda o comportamento de primeira ordem, encontra-se a equação 18: 
 
F(X) = L[f(t)] = 
0,067
𝑠+1
 (18) 
 
3.4.6 Sensor de temperatura 
O controle de temperatura dos tanques não é necessário na planta, visto que a planta não 
irá trabalhar com variações de temperatura que possam colocar em risco os componentes que a 
compõem. Para demonstrar que o micro controlador é capaz de realizar uma ação caso a 
temperatura do fluido alcance o valor estipulado, é colocado um sensor de temperatura, tipo 
termistor, em cada tanque. 
62 
 
Caso um dos tanques, ou ambos os tanques, alcancem a temperatura de 40ºC será 
desativado todo o sistema de controle, até que a temperatura volte ao valor desejado. 
 
3.4.7 Circuito elétrico 
 O circuito elétrico do projeto é composto de semicondutores, resistores, reles e 
capacitor. 
Os dispositivos semicondutores usados são diodos e opto-isoladores. 
Para acionar o rele, uma tensão elétrica passa por um resistor de 100Ω que é ligado ao 
opto-isolador, que ao ser acionado, permite a passagem da corrente elétrica no rele, acionando 
os atuadores. O diodo é usado para evitar que a corrente de pico danifique o opto-isolador. 
O capacitor é usado para evitar que o ruído branco presente na planta, interfira no 
circuito elétrico. 
Para dar a condição do sensor de temperatura de obter valores exatos, é usado um 
resistor de 4,7KΩ (4700Ω) na saída de dados para o polo positivo da fonte de alimentação. 
Assim como o sensor de temperatura, os sensores de nível lateral recebem um resistor 
de 100KΩ (100000Ω). 
A figura 40, mostra como é o circuito elétrico do sensor de temperatura, a figura 41 
mostra como é o circuito elétrico dos sensores de nível lateral e, a figura 42 mostra como é o 
circuito elétrico dos atuadores: 
 
Figura 40 – Circuito elétrico do sensor de temperatura. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
63 
 
 
Figura 41 – Circuito elétrico do sensor de nível lateral.. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
Figura 42 – Circuito elétrico dos atuadores. 
Fonte: Elaborado pelos Autores. 
 
 
3.4.8 Micro controlador 
O micro controlador usado no projeto é do fabricante Arduino. 
A lógica de programação criada neste micro controlador será responsável por monitorar 
a planta e permitir que o usuário controle o nível. 
 
3.4.9 Sistema de controle no projeto 
Com os dados levantados na planta foi realizada a simulação no MATLAB. 
64 
 
Os sistemas de controle da planta são realizados com base no sensor ultrassônico e 
através dos atuadores (bomba d’água e válvula solenoide). 
Para que os valores trabalhados nos sistemas de controle tenham melhor exatidão, é 
realizada uma simulação com base nos valores obtidos através do sistema de controle original. 
Ambos os sistemas de controle da planta são expressos por equações diferenciais. Para 
realizar a simulação destes sistemas, suas equações são colocadas sob domínio de Laplace para 
assim, serem utilizadas na simulação do sistema de controle. 
A figura 43 mostra a simulação realizada e o adendo B a configuração do SIMULINK: 
 
 
Figura 43 – Simulação realizada. 
 
3.4.9.1 Aplicação do sistema de controle 
O sistema de controle original da planta se baseia da distância informada pelo sensor 
ultrassônico para controlar o nível. 
Ao aplicar a resposta do sensor ultrassônico em função da vazão da bomba d’água e 
válvula solenoide, a resposta não é a esperada. 
O gráfico 4 mostra o comportamento