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Sistema Autônomo para Medição de Tensão Eficaz

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FACULDADE METROPOLITANA DE MANAUS
		
BRILHANTE, Juliana¹, FERNANDES, Marcia¹, LOUZEIRO, Renivan¹, SANTOS, Thalia¹, LOBO, Jean²
juliana_brilhante_95@hotmail.com, marciagabyfs@gmail.com, renivan1812@gmail.com, thaliahelena16@gmail.com, jeanlobolive@gmail.com
1,2Faculdade Metropolitana de Manaus. Av. Constantino Nery, 3204 – Manaus/AM – Brasil.
AUTONOMUS SYSTEM FOR MEASURING RMS VOLTAGE WITH ARDUINO
ABSTRACT
This work describes the implementation of a data acquisition system for reading peak voltage (or voltage as is well known) in residential equipment. The system consists of a microcontroller board (arduino) and software that controls the circuit and performs the information processing. The voltage signals obtained have useful information that can be extracted by digital processing. The software calculates in real time the value of rms voltage, and energy consumed. This work explores an important microprocessing technique: process automation. As an application of the system, results of measurements are presented and discussed in equipment of common residential use.
Keywords: Arduino, LCD display, Proteus, IDE, RMS voltage
	
sistema autônomo para medição de tensão rms com arduino
Resumo
Este trabalho descreve a implementação de um sistema de aquisição de dados para leitura de tensão de pico (ou tensão eficaz como é mais conhecida) em equipamentos de uso residencial. O sistema é constituído por uma placa microcontroladora (Arduino) e por um software que controla o circuito e realiza o processamento das informações. Os sinais de tensão obtidos possuem informações úteis que podem ser extraídas pelo processamento digital. O software calcula em tempo real o valor de tensão RMS, e energia consumida. Este trabalho explora uma técnica importante de Microprocessamento: automação de processos. Como aplicação do sistema, são apresentados e discutidos resultados de medidas em equipamentos de uso residencial de uso comum.
Palavras Chaves: Arduino, display LCD, Proteus, IDE, tensão RMS
	
I INTRODUÇÃO
O uso racional da energia é um tema de grande relevância. Tanto na indústria como na vida cotidiana se observa uma tendência em reduzir desperdícios para aumentar o rendimento dos recursos, entre eles a energia elétrica. Esta prática não é apenas uma forma de reduzir custos e aumentar a competitividade, ela também reflete a conscientização atual em relação à necessidade e benefícios de um modelo de desenvolvimento sustentável. No contexto da automação residencial em se tratando da qualidade de energia elétrica nota-se um aumento expressivo na disponibilidade de equipamentos para o controle da qualidade de energia elétrica consumida por dispositivos eletroeletrônicos. O acesso à eletrônica para sistemas embarcados tem aumentado muito nos últimos anos, tanto em função do barateamento dos componentes eletrônicos quanto em função da criação de plataformas de prototipação que facilitam a sua montagem e trazem ambientes de desenvolvimento utilizando linguagens de mais alto nível. Com os atuais avanços do setor eletroeletrônico, é possível oferecer soluções automatizadas na área de medidores de energia. Conversores analógicos digitais, microcontroladores e sensores podem ser combinados para o desenvolvimento de um sistema que meça individualmente o consumo de cada aparelho, sendo facilmente instalado em um ponto de energia, como uma tomada, e fornecendo dados do consumo dos equipamentos conectados a esta.
II MATERIAIS E MÉTODOS – EXPERIÊNCIA
O presente trabalho visa desenvolver o protótipo de um dispositivo capaz de agir de forma autônoma desde que este esteja conectado fisicamente num ponto determinado no equipamento elétrico, sendo por exemplo uma tomada, onde irá realizar a leitura de dados da tensão de pico que passa pelo equipamento. Para nossa experiência utilizamos os componentes abaixo:
1 Notebook; 1 placa microcontroladora (Arduino); 1 LCD 16X2; IDE do Arduino 1 protoboard; 1 sensor de corrente ACS712; jumpers para interligação dos componentes.
Os métodos utilizados para a construção deste trabalho foram baseados a partir de fontes primárias como artigos científicos, datasheets de equipamentos e acervos de universidades que disponibilizam uma extensa variedade de materiais inerentes ao assunto analisado neste trabalho. 
ARDUINO
Figura 1 - Arduino Uno
Fonte: http://www.instructables.com/id/Beginner-Arduino/
O Arduino é uma “open source” uma plataforma aberta de computador, baseada em uma placa com simples entrada/saída (input/output) e um ambiente desenvolvido que implementa e processa linguagens. Ele pode ser usado para desenvolver objetos interativos independentemente, ou pode ser conectado em um software em um computador (tais como Flash, Processing, vvvv ou Max/MSP). A placa pode ser montada manualmente ou comprada pré-montada. O open source IDE (Integrated Development Environmnent – ambiente de desenvolvimento integrado), pode ser baixado gratuitamente através do site www.arduino.cc. 
PROTHEUS
O simulador virtual Protheus disponibiliza um amplo catálogo de componentes eletrônicos tais como microcontroladores neste caso o Arduino (placa microcontroladora), dispositivos eletrônicos como resistores, capacitores, indutores, transistores, LEDs, diodos e etc. Disponibiliza também protoboards para simulação real além do ambiente próprio para simulá-los. Para fins de prototipagem o referido software foi utilizado para representar todo o processo de montagem desde a escolha dos componentes até a sua representação em escala real no ambiente virtual do programa.
Figura 2 - Proteus
Fonte: Acervo pessoal
ACS712 – SENSOR DE CORRENTE
Figura 3 – Sensor ACS 712
Fonte: http://www.hobbytronics.co.uk/sensor-acs712
Utilizou-se também de um sensor de corrente chamado ACS712. Este sensor fornece a leitura da corrente que passa pelo equipamento, podendo a partir daí descobrir-se, desde que se tenha em mãos o valor da potência, o valor da tensão RMS do circuito. 
LCD 16X2
Figura 4 – Display LCD
Fonte: http://www.electronicwings.com/sensors-modules/lcd-16x2-display
Trata-se de um dispositivo de tamanho pequeno que é conectado ao circuito tendo a função transmitir a leitura das informações coletadas pelo sensor.
PROTOBOARD
Figura 5 – Protoboard
Fonte: http://www.dobitaobyte.com.br
A protoboard é utilizada para fazer montagens provisórias, teste de projetos, além de inúmeras outras aplicações.
É constituída por uma base plástica, contendo inúmeros orifícios destinados à inserção de terminais de componentes eletrônicos. A grande vantagem é que os componentes podem ser facilmente retirados para serem utilizados posteriormente em novas montagens.
Jumpers
Figura 6 – Jumpers
Fonte: http://breadboardelectronics.co.uk/
Os jumpers são pequenas peças plásticas, internamente metalizadas para permitir a passagem de corrente elétrica, que são encaixados em contatos metálicos encontrados na placa mãe ou em vários outros tipos de placa.
Esquemático
Figura 7 – Esquema do circuito montado no simulador
Fonte: Acervo pessoal
Protótipo do projeto
Figura 8 – Protótipo do Projeto montado no simulador
Fonte: Acervo pessoal
É importante esclarecer que o protótipo desenvolvido neste trabalho é dito invasivo, isso porque faz-se necessário o contato direto dos fios de ligação do módulo com o circuito do equipamento e/ou tomada.
Código do projeto
Figura 9 – esquema do código 
III RESULTADOS
Os resultados obtidos possibilitaram o desenvolvimento de propostas para promover melhorias em equipamentos de qualidade de energia elétrica, bem como a sua implementação em equipamentos residenciais para medir uma eventual sobrecarga em eletrodomésticos. Seu uso aplica-se muito bem em outras camadas da indústria da eletricidade passando da etapa residencial, doméstica e até na indústria, servindo como um suporte para teste e segurança de equipamentos industriais contra surtos na rede elétrica. Pode-se dizer que a proposta apresentada no desenvolvimentodeste projeto alinha-se muito bem aos parâmetros da indústria moderna, pois a segurança é um bem primordial para qualquer fase de produção de qualquer equipamento industrial principalmente porque nos dias atuais define-se também como qualidade do produto a sua capacidade de proteção contra cargas elevadas na rede, cargas essas que podem ser inesperadas pelo equipamento. Os testes finais do equipamento indicaram sua viabilidade e precisão na obtenção e leitura dos dados requeridos pelo usuário, mesmo que em primeiro momento esta implementação seja apenas em ambiente virtual, pois o próximo passo a ser dado é a sua construção em ambiente físico e consequentemente a constatação da sua eficácia.
IV DISCUSSÕES E RESULTADOS
Este trabalho espera abrir portas para diversos ambientes de automação residencial, alguns mais diretos, outros menos, mas todos de interesse imediato para qualquer aplicação que necessite da leitura dos parâmetros em tempo real. 
Comparações
Figura 9 – Exemplo de medidor com leitura de corrente e potência
 Fonte: Acervo pessoal
A figura acima exemplifica um equipamento medidor que utiliza a mesma ideia do medidor deste trabalho, sendo este diferenciado por medir corrente nominal e potência. O objetivo desta comparação é reforçar as diversas aplicações desses medidores no ambiente residencial e também predial, abordando em seguida a grande facilidade no manuseio dos mesmos para a segurança de equipamentos elétricos.
O processo de execução do projeto iniciou-se com o a interligação dos componentes: os jumpers fazem a conexão da Protoboard ao Arduino e sensor para que as informações contidas na IDE possam ser enviadas e executadas como previamente estabelecidas. Após isto executou-se a compilação do código fonte para verificação de erros; esta é uma etapa muito importante do projeto, pois caso não ocorra o correto funcionamento do código este implicará na funcionalidade das demais ações determinadas pelo usuário. Em seguida estando completas as etapas anteriores verificou-se um erro na leitura dos dados na interface do LCD, pois o mesmo não fornecia nenhuma leitura sobre os dados requeridos, tais como a Tensão Eficaz ou a corrente nos terminais, mesmo o código estando compilado e executado na IDE do Arduino. Propôs-se então em discussão a conexão dos pinos do Arduino ao display LCD, constatando-se em primeiro momento que havia erro entre as portas nº 13 e 14 do display com as portas nº 3 e 4 do Arduino podendo estas estarem conectadas de forma aleatória não atendendo assim as especificações do dispositivo ou mesmo por algum erro de atenção na montagem do circuito. Fez-se também com o auxílio de um multímetro, a leitura de dados de corrente em um ponto específico do circuito da protoboard com o intuito de verificar se a causa da não leitura dos dados no display LCD, era causada por algum tipo de surto nos terminais da placa de conexão (protoboard) e os jumpers, não sendo comprovado esta última hipótese. Após a correção do problema deu-se prosseguimento na execução do programa sendo neste detectado também uma falha nas linhas 14 e 24 havendo um equívoco na declaração das variáveis de comunicação onde a porta A0 do Arduino foi declarada como sendo uma porta de entrada sendo esta uma porta de saída no circuito físico; depois disto também nas linhas nº 36 e 37 foram encontrados alguns erros de finalização nas linhas de comando como acentuação e palavras reservadas à outras funções específicas. Tendo substituído estes erros, deu-se prosseguimento na aba “Compilar” na IDE do Arduino sendo possível desta vez seu correto funcionamento. Seguidas vezes após o fechamento e abertura do código notou-se que, em todas as vezes que o programa era reaberto para uma nova verificação um novo erro juntava-se aqueles que já haviam sido corrigidos anteriormente. Em busca de solução para este problema por várias vezes o erro foi corrigido e o código novamente executado, porém sem sucesso na reabertura do programa. Novamente reuniu-se várias hipóteses para discussão, e em uma delas propôs-se que a causa poderia estar na execução do arquivo raiz do Arduino, sendo necessário à sua desinstalação e instalação novamente no computador. Assim fazendo, pôde-se comprovar a hipótese sugerida e garantir a execução segura do código no programa. Após o sucedido caso entendeu-se de maneira concisa que, é necessário possuir um maior conhecimento do funcionamento destes dispositivos como um todo, desde o seu hardware até o software que permite a “conversa” entre o computador e o Arduino.
V Conclusão
O projeto proposto teve como objetivo realizar testes com o auxilio de um dispositivo de baixo custo que analisou o consumo de tensão RMS, usando o ambiente virtual de um simulador para que, com base nos resultados obtidos, realizar uma futura implementação. 
Ao utilizar um valor fixo de 127V para a tensão, de maneira que, caso o protótipo seja testado com tensões de entrada de 220V, constatou-se que haverá uma divergência dos resultados obtidos. Entretanto, nenhum dano será causado ao sistema medidor. De qualquer forma, esse problema pode ser facilmente resolvido utilizando um sensor de tensão ou qualquer outra lógica que verifique esse valor de entrada, porém, a fim de apenas verificar a usabilidade do sistema inteligente.
A utilidade do dispositivo deu-se para aparelhos de baixa e média potência, não tendo suporte para grandes equipamentos industriais. Entretanto, a adaptação desse dispositivo para uso industrial, dá-se de maneira simples, ocorrendo principalmente pela substituição do sensor de corrente.
VI AGRADECIMENTOS
A Faculdade Metropolitana de Manaus - FAMETRO, em especial à Coordenação de Pesquisa da Instituição pelo incentivo à pesquisa pelos acadêmicos e por apreciar o artigo aqui proposto, bem como o respectivo apoio. 
VII REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	
Android SDK. Disponível em <http://developer.android.com/sdk/index.thml> Acesso em 29 de Outubro. 2017 às 14:32 
Android. Disponível em: <http://www.android.com/> Acesso em 19 de Outubro. 2017 às 14:34
Arduino. Disponível em: <http://arduino.cc//> Acesso em 14 de Outubro. 2017 às 20:32
Computer World: Residents cut energy bills 11% in smart meter test. Disponível em: <http://www.computerworld.com/article/2510869/it-management/residents-cut-energy-bills-11-in-smart-meter-test.html> Acesso em 19 de outubro. 2017 às 15:32
Datasheet. Atmel AVR ATmega32U4. Disponível em: <http://www.atmel.com/Images/7766s.pdf> Acesso em 22 de outubro. 2017 às 21:54
Office of Electricity Delivery & Energy Reliability, CenterPoint Energy and U.S Deputy Secretary of Energy Daniel Poneman Announce Results of Pilot Project on Home Energy Use. Disponível em: <http://energy.gov/oe/articles/centerpoint-energy-and-us-deputy-secretary-energy-daniel-poneman-amounce-results-pilot> Acesso em 22 de Outubro. 2017 às 16:42 
PhoneGAp. Disponível em <http://phonegap.com/> Acesso em 24 de outubro. 2017 às 16:24

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