UNICENP - Centro Universitário Positivo Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas Curso de Engenharia da Computação

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1 UNICENP - Centro Universitário Positivo Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas Curso de Engenharia da Computação SISTEMA DE MONITORAMENTO AMBIENTAL PARA EMPRESAS Autor: Fernando Conceição Banca Examinadora e/ou Avaliadora Adriana Cursino Thomé Marcelo Mikosz Pedro Edson Ferlin Curitiba 2004

2 SUMÁRIO RESUMO... 1 ABSTRACT INDRODUÇÃO Introdução ao tema do projeto Motivação do Desenvolvimento Situação do Projeto no Contexto Geral em que está Inserido Metas a serem alcançadas DESCRIÇÃO ESTUDO TEÓRICO Porta Paralela Sensores ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE Diagrama de Blocos do Hardware ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE Diagrama de Contexto do Sistema Funções do Software Linguagem de Desenvolvimento do Software Diagrama de Casos de Uso Diagrama de Classes Diagrama de Sequência Banco de Dados Interface de comunicação do usuário Controle manual do Sistema Ativação e Desativação de Dispositivos Manualmente Valor lidos de temperatura e de umidade Mudança de Parâmetros de Temperatura Mudança de Parâmetros de Umidade Estado dos Dispositivos Banco de Dados ESPECIFICAÇÃO DA VALIDAÇÃO DO PROJETO Testes de software Testes de hardware i

3 6.3 Validação do Projeto ESTUDO DE VIABILIDADE (CUSTOS) RESULTADOS CONCLUSÃO CRONOGRAMA RERÊNCIAS BIBIOGRÁFICAS ii

4 LISTA DE ABREVIATURAS BUS Barramento de Dados; CI Circuito Integrado; CPU - Central Processing Unit ; DMA - Acesso Direto à Memória; ECP - Enhanced Capabilities Port E/S - Entrada / Saída; FIFO First In First Out; I/O - Input / Output; KB - Kilo (Quilo) Byte; LPT - Line Prin Ter; MB Mega Bytes; PC - Personal Computer ; SPP - Standard Parallel Port; TTL - Transistor-Transistor Logic ; UML - Unified Modelling Language; iii

5 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Modulo do Sensor de Nível Superior e Inferior... 7 Figura 2 Módulo do Sensor de Fluxo... 7 Figura 3 Módulo de Sensor de Temperatura... 8 Figura 4 Módulo do Sensor de Bulbo Seco e Bulbo Úmido... 9 Figura 5 Módulo dos Dispositivos Figura 6 Módulo do Conversor Analógico / Decimal (ADC) Figura 7 Pinagem da Porta Paralela Figura 8 Circuito para ativar e desativar dispositivos pela porta paralela Figura 9 Esquemático de entrada e saída da porta paralela Figura 10 Mensuração da Temperatura Figura 11 Mensuração de umidade Figura 12 Indicador de Fluxo Figura 13 Detector de nível superior e inferior Figura 14 Diagrama de Blocos do Hardware Figura 15 Diagrama de Contexto do Sistema Figura 16 - Diagrama de Caso de Uso da Porta Paralela Figura 17 Diagrama de Caso de Uso do Usuário do Sistema Figura 18 Diagrama de Classes do Sistema Figura 19 Diagrama de Seqüência de Leitura dos Sensores de Nível Figura 20 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Temperatura Figura 21 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Fluxo Figura 22 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Umidade Figura 23 Diagrama de Seqüência da Bomba de Água (automática) Figura 24 Diagrama de Seqüência do Ventilador (automático) Figura 25 Diagrama de Seqüência do Umidificador (aumomático) Figura 26 Diagrama de Seqüência do Umidificador de Ar (manual) Figura 27 Diagrama de Seqüência do Ventilador (manual) Figura 28 Diagrama de Seqüência da Bomba de Água (manual) Figura 29 Diagrama de Seqüência da Temperatura Figura 30 Diagrama de Seqüência da Umidade Figura 31 Tabela Fluxo do Banco de Dados Figura 32 Gravação dos Dados na Tabela de Fluxo do Banco de Dados iv

6 Figura 33 Tabela Fluxo do Banco de Dados Figura 34 - Gravação dos Dados na Tabela de Fluxo do Banco de Dados Figura 35 Tabela de Nível Superior do Banco de Dados Figura 36 - Gravação dos Dados na Tabela de Nível Superior do Banco de Dados Figura 37 Tabela Temperatura do Banco de Dados Figura 38 - Gravação dos Dados na Tabela Temperatura do Banco de Dados42 Figura 39 Tabela Temperatura do Banco de Dados Figura 40 - Gravação dos Dados na Tabela Umidade do Banco de Dados Figura 41 Interface do Software (SMA) Figura 42 Controle manual dos Dispositivos Figura 43 Mensuração de Temperatura e Umidade Figura 44 Parâmetros de Temperatura passados pelo Usuário Figura 45 - Parâmetros de Umidade passados pelo Usuário Figura 46 Estados dos Dispositivos em Tempo Real v

7 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Configuração da pinagem de Controle da Porta Paralela Tabela 2 Configuração dos valores utilizados para os pinos de Controle Tabela 3 Tabela para medição e aferição da umidade relativa do ar Tabela 4 Previsão de Custos do Projeto Tabela 5 Custo dos Softwares utilizados para elaboração do sistema Tabela 6 Custo de Mão de obra para elaboração do sistema Tabela 7 Cronograma Tabela 8 Cronograma vi

8 RESUMO O sistema de monitoramento ambiental para empresas foi projetado para monitorar e tomar decisões em relação quatro fatores ambientais (temperatura, umidade, fluxo de líquidos na extremidade de um cano e níveis de líquidos no interior de um reservatório). A temperatura é controlada através de um sensor que envia dados para a porta paralela de um microcomputador padrão IBM-PC, e dependendo destes valores obtidos, a porta paralela envia um sinal para acionar ou desativar um ou mais ventiladores. O mesmo ocorre com o controle de umidade, sendo que ao invés do ventilador foi usado um vaporizador para controlar a umidade do ar e uma bomba de água para controlar o nível do líquido dentro do reservatório. O sistema monitora ainda o fluxo de líquidos na extremidade de um cano, utilizando-se de um interruptor especial. Este interruptor quando sujeito ao fluxo de líquidos permite a passagem de tensão através da porta paralela. Quando é detectado algum fluxo na extremidade do cano, um retângulo na interface muda de cor e em seu interior aparece a mensagem acionado, a fim de que o usuário do sistema saiba o que está acontecendo. Outro recurso do sistema é o controle de entrada de líquidos no interior de um reservatório. Nesta situação o sistema aciona e desativa uma bomba de água para o líquido se manter entre os níveis desejados. Palavras - chave: sensor, relé, monitoramento, sistemas inteligentes. 1

9 ABSTRACT The system of monitor environmental for companies was projected to monitor and to make decisions in relationship four environmental factors (temperature, humidity, flow of liquids in the extremity of a pipe and levels of liquids inside a reservoir). The temperature is controlled through a sensor one that he sends data for the parallel door of a standard microcomputer IBM-PC, and depending on these obtained values, the parallel door sends a sign to work either to disable an or more fans. The same happens with the humidity control, and instead of the fan a vaporizer was used to control the humidity of the air and a bomb of water inside to control the level of the liquid of the reservoir. The system still monitors the flow of liquids in the extremity of a pipe, being used of a special switch. This switch when I subject to the flow of liquids allows the tension passage through the parallel door. When some is detected flow in the extremity of the pipe, a rectangle in the interface changes of color and in his interior he appears the message worked, so that the user of the system knows what is happening. Another resource of the system is the control of entrance of liquids inside a reservoir. In this situation the system works and it disables a bomb of water for the liquid to stay among the wanted levels. Words - key: sensor, relê, monitor, intelligent systems. 2

10 1. INDRODUÇÃO 1.1 Introdução ao tema do projeto Este sistema controla diversas condições ambientais de uma empresa, além de ser capaz de tomar decisões quando as condições ambientais se tornarem críticas ou mesmo fora dos padrões estabelecidos pelo usuário do sistema. O sistema monitorara a temperatura ambiente, e caso esta ultrapasse o limite permitido, o sistema automaticamente liga um ventilador, um exaustor ou até mesmo um ar condicionado, até que a temperatura volte ao nível normal. O sistema controla ainda um reservatório que tenha uma entrada e uma saída de líquidos para que ele não ultrapasse os níveis mínimos e máximos estipulados pela empresa que adquiriu o sistema. Além disso, o sistema monitora a umidade do ar ambiente, e caso esta esteja muito baixa, o sistema aciona um vaporizador de ar. Outro recurso provido pelo sistema é monitorar o fluxo de líquidos nas extremidades de algum cano, de maneira que o usuário do sistema seja alertado quando o sistema detectar a existência de fluxo na extremidade do cano. Como módulo adicional, propôs-se o desenvolvimento de um sistema de segurança contra furtos. Este sistema utiliza sensores em todas as portas e janelas da empresa, de modo que se elas forem arrombadas, seja disparado um alarme e uma mensagem sonora seja enviada através de uma conexão discada, ao responsável pela segurança da empresa. 1.2 Motivação do Desenvolvimento São vários os motivos que levaram ao desenvolvimento deste projeto: 1. A necessidade de empresas proporcionarem maior segurança e conforto aos seus funcionários de forma automatizada. 3

11 2. Com este sistema não haverá a necessidade de vários funcionários monitorarem individualmente cada condição ambiental, na verdade, somente um funcionário será necessário para analisar os dados, sendo que estes são capazes de indicar em tempo real o estado das condições ambientais monitoradas. 3. O custo de desenvolvimento deste projeto será menor se comparado ao preço cobrado por outras empresas para realizar um projeto similar, com isto propõe-se realizar este projeto a um custo bastante acessível às empresas de pequeno e médio porte. 1.3 Situação do Projeto no Contexto Geral em que está Inserido Muitas empresas de pequeno e médio porte necessitam de sistemas de controle inteligentes que monitoram e tomam decisões de acordo com níveis de segurança pré-estabelecidos pela empresa. Segundo pesquisa efetuada no dia 12/06/2004, a empresa Via Software Sistemas de Automação, para realizar um projeto com as mesmas funcionalidades, não considerando os dispositivos de acionamento (ar condicionado, bomba de água e microcomputador), cobraria R$ ,00; e a empresa Waresoft Assessoria de Sistemas para realizar um projeto também com as mesmas características, e não incluindo (ar condicionado, bomba de água e microcomputador) cobraria R$16.748,00. De acordo com a pesquisa realiz ada, existem poucas empresas que fornecem este tipo de serviço, e as que o disponibilizam, cobram preços muito elevados, o que acaba desencorajando o investimento das empresas compradoras e inibem a automação das mesmas, principalmente as de pequeno e médio porte. 1.4 Metas a serem alcançadas As metas a serem alcançadas são listadas a seguir: - controlar a temperatura ambiente de um recinto, acionando ventiladores de ar; 4

12 - monitorar o fluxo de líquidos na extremidade de canos; - controlar o nível de algum líquido em um determinado reservatório; - controlar a umidade do ar, sendo capaz de ligar um vaporizador de ar quando os níveis forem críticos; - armazenar em um banco de dados todos os valores lidos dos seis sensores (sensor de temperatura, sensor de bulbo seco, sensor de bulbo úmido, sensor de nível superior, sensor de nível inferior e sensor de fluxo), assim terá uma tabela criada para cada um dos sensores, onde cada tabela terá informações referente a data, hora e leitura do sensor respectivo; - como módulo adicional implantar um sistema de alarme em portas e janelas da empresa. 2. DESCRIÇÃO Este projeto tem como objetivo controlar as condições ambientais de uma empresa, mais precisamente, a temperatura, a umidade, a verificação de fluxo de líquidos em um canos (vazão) e o controle de entrada de líquidos em um reservatório. Em relação à temperatura, o sistema é flexível, permitindo ao operador definir o intervalo de temperatura que o sistema deverá manter. Por exemplo manter entre 25 e 20 graus ou 18 e 22 graus. Quando a temperatura ambiente atingir a maior nível estipulado o sistema aciona um ventilador até que a temperatura regrida ao valor mínimo estipulado. A umidade do ar também é controlada, ou seja, um sensor fica monitorando a umidade, e quando o ar se tornar muito seco é ligado um vaporizador de ar até que o nível de umidade se torne aceitável. Assim como na temperatura, o sistema é flexível em relação à umidade, permitindo que o operador defina o intervalo de umidade do ar que o sistema deverá manter. Outro fator ambiental a ser considerado é o controle de um reservatório de líquidos. O sistema controla a entrada do líquido mantendo o mesmo entre dois níveis configuráveis de acordo com a necessidade da empresa. Quando o nível mínimo é atingido, o sistema aciona uma bomba que enche o reservatório até que o nível máximo pré-estabelecido seja atingido. Desta forma, há um controle para que não haja excesso nem falta de líquido no reservatório. 5

13 O sistema faz também um controle sobre o fluxo de líquidos, onde sensores ligados ao sistema verificam a existência de vazão de um líquido em um determinado momento, na extremidade de um cano. Para um melhor controle das medições ambientais realizadas pelo sistema, o sistema grava em tempo real o valor lido pelos sensores no banco de dados. Desta forma, o operador do sistema pode analisar as informações coletadas no momento que desejar. Como módulo adicional, foi proposto a implantação de um sistema de segurança em portas e janelas integrado aos outros dispositivos já existentes no sistema. O projeto terá oito módulos de hardware, são eles: módulo do sensor de temperatura, módulo do sensor de bulbo úmido, módulo do sensor de bulbo seco, módulo do sensor de fluxo, módulo do sensor de nível superior, módulo do sensor de nível inferior, módulo dos dispositivos e módulo do conversor analógico para decimal. A Figura 1 ilustra o módulo dos sensores de nível superior e inferior, a Figura 2 ilustra o módulo de fluxo, a Figura 3 ilustra o módulo do sensor de temperatura, a Figura 4 ilustra o módulo do sensor do bulbo seco e do bulbo úmido, a Figura 5 ilustra o módulo dos dispositivos e por fim a Figura 6 ilustra o módulo do conversor analógico decimal (ADC). Todos estes módulos serão controlados por um único software através da porta paralela do computador. O módulo do Sensor de Nível Superior e Inferior consiste no envio do valor do sensor que recebe um ajuste de tensão através de resistores de modo que quando detectado nível lógico alto, o ADC receba em torno de 1,28V, o que equivale a cerca de 50 níveis após a conversão. Este valor é utilizado no software como referência para verificar se há ou não presença de líquidos no nível do sensor. 6

14 Figura 1 Modulo do Sensor de Nível Superior e Inferior O módulo do Sensor de Fluxo consiste no envio do sinal do sensor de fluxo até o ADC, que converterá o sinal (5V) em níveis que serão recebidos pela porta paralela, no caso nível 255. Este valor será utilizado pelo software para verificação positiva ou negativa de fluxo no sistema. Figura 2 Módulo do Sensor de Fluxo O módulo do Sensor de Temperatura consiste no envio do valor medido pelo sensor para um amplificador operacional, onde o valor do sinal terá um ganho de dez vezes. Isto é necessário devido aos valores lidos pelo sensor 7

15 serem muito baixos, já que o sensor usado (LM35) é um sensor linear e possui sensibilidade referente a 10mV/ºC. Depois de amplificado o sinal ele é passado para o ADC que por sua vez irá converter o sinal em níveis e enviá-lo a porta paralela. O Sistema está preparado para controlar temperaturas de 0º a 50º, onde para 0V têm-se 0ºC e para 5V têm-se 50ºC. Portanto a função utilizada para o cálculo da temperatura foi (valor lido pelo ADC multiplicado por 0,19). Figura 3 Módulo de Sensor de Temperatura O módulo do Sensor de Umidade foi feito utilizando como sensor de umidade dois sensores de temperatura (LM35), utilizando-se o princípio do bulbo seco e do bulbo úmido. Este método consiste em envolver um dos sensores com algum material permeável e mantê-lo umidecido com água. Para que o sistema apresente uma boa precisão os dois sensores devem ser expostos a uma corrente de ar constante que pode ser produzida utilizando-se um pequeno cooler. Para o cálculo da umidade utilizou-se uma tabela, onde as linhas representam a diferença de temperatura entre os dois sensores e as colunas correspondem ao valor lido pelo sensor correspondente ao bulbo seco. Este módulo será responsável pelo envio dos valores medidos pelos sensores de bulbo seco e bulbo úmido. O valor do sinal é passado para um amplificador operacional, onde o valor do sinal terá um ganho de dez vezes. Isto é necessário devido aos valores lidos pelo sensor serem muito baixos já que o sensor usado (LM35) é um sensor linear e possui sensibilidade referente 8

16 a 10mV/ºC. Depois de amplificado o sinal ele é passado para o ADC, que por sua vez irá converter o sinal em níveis e enviá-lo para a porta paralela. O Sistema está preparado para controlar temperaturas de 0º a 50º, onde para 0V têm-se 0ºC e para 5V têm-se 50ºC. Portanto a função utilizada para o cálculo da umidade foi (valor lido pelo ADC multiplicado por 0.19). Figura 4 Módulo do Sensor de Bulbo Seco e Bulbo Úmido O módulo dos Dispositivos é responsável pela ativação e desativação dos dispositivos (bomba de água, ventilador e umidificador de ar) através de relés. 9

17 Figura 5 Módulo dos Dispositivos O módulo do ADC (conversor analógico_decimal) é responsável por receber a leitura analógica dos 6 sensores existentes no sistema, e convertê-la para decimal, com a finalidade de serem lidos pela porta paralela. Figura 6 Módulo do Conversor Analógico / Decimal (ADC) 10

18 3. ESTUDO TEÓRICO Para a realização deste projeto foram necessários estudos sobre sensores de nível, sensores de detecção de fluxo, sensores de umidade e sensores de temperatura, estudo sobre conversores de sinais de analógicos para digitais, além de estudos sobre acionamento de dispositivos por relés e porta paralela. 3.1 Porta Paralela No mundo dos equipamentos digitais, os bits e bytes precisam ser transmitidos de um lugar para outro, assim existindo diversas formas de transmissão. As mais utilizadas são a transmissão em série e em paralelo. Na transmissão em paralelo, cada bit possui um fio próprio para ser enviado, onde é necessários diversos fios para o envio das informações. A porta paralela, mais conhecida como LPT, ou LPT1, tem esse nome, pois envia as informações de forma paralela. Apesar da porta paralela ser na maioria das vezes usada na conexão com a impressora, ela também pode ser utilizada para se conectar outros acessórios a um computador, como neste caso ligar um ventilador, um vaporizador e uma bomba de água. Existem dois tipos de transmissão em portas paralelas: 1. Transmissão unidirecional: a porta paralela SPP pode chegar a uma taxa de transmissão de dados a 150KB/s. Comunica-se com a CPU utilizando um BUS de dados de 8 bits. Para a transmissão de dados entre periféricos são usado 4 bits por vez. 2. Transmissão bidirecional Existem dois tipos de transmissão bidirecional: 2.1 A porta avançada EPP chega a atingir uma taxa de transferência de 2 MB/s. Para atingir essa velocidade, é necessário um cabo especial. Comunica-se com a CPU utilizando um BUS de dados de 32 bits. Para a transmissão de dados entre periféricos são usado 8 bits por vez. 11

19 2.2 A porta avançada ECP tem as mesmas características que a EPP, porém, utiliza DMA, sem a necessidade do uso do processador para a transferência de dados. Utiliza também um buffer FIFO de 16 bytes. Na figura 7, pode-se visualizar a função de cada pino da porta paralela. 3.2 Sensores Figura 7 Pinagem da Porta Paralela Definição 1: Sensores são dispositivos usados para detectar, medir ou gravar fenômenos físicos tais como calor, radiação etc, e que respondem transmitindo informação, iniciando mudanças ou operando controles. (Moreira, 2002) Definição 2: Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma grandeza física, podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que indica esta grandeza. (Moreira, 2002) Quando os sensores operam diretamente, convertendo uma forma de energia em outra, são chamados transdutores. Os de operação indireta alteram suas propriedades, como a resistência, a capacitância ou a indutância, sob 12

20 ação de uma grandeza, de forma mais ou menos proporcional. O sinal de um sensor pode ser usado para detectar e corrigir desvios em sistemas de controle, e nos instrumentos de medição, que freqüentemente estão associados aos sistemas de controle de malha aberta (não automáticos), orientando o usuário. Os sensores apresentam as seguintes características: Faixa ou Range: representa todos os níveis de amplitude do sinal de entrada nos quais se supõe que o sensor opere. (Werneck, 1996) Resolução: é o menor incremento do sinal de entrada que é sensível ou que pode ser medido pelo instrumento. (Werneck, 1996) Linearidade: é o grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza física. Quanto maior, mais fiel é a resposta do sensor ao estímulo. Os sensores mais usados são os mais lineares, conferindo mais precisão ao sistema de controle. Os sensores não lineares são usados em faixas limitadas em que os desvios são aceitáveis, ou com adaptadores especiais que corrigem o sinal. (Werneck, 1996) Histerese: pode ser explicada da seguinte maneira: se o estímulo de entrada, que excita um instrumento ou um sensor crescer até um valor determinado, o instrumento acusará certo valor. Mas se o estímulo começar num valor mais elevado e decrescer até o mesmo valor anterior, o instrumento poderá acusar um valor diferente daquele acusado antes, e neste caso, há uma histerese. Histereses podem ocorrer por diversas razões, como, por exemplo, atrito mecânico nos ponteiros de um instrumento de medida, resposta de freqüência, inércia molecular etc. (Werneck, 1996) Exatidão ou Erro: é a diferença absoluta entre o valor real do padrão e o valor medido pelo instrumento. Pode ser dada em percentagem ou em partes por milhão (ppm), quando esse valor é muito pequeno. Ao ser especificado, costuma-se informar em que escala ou em que valor dentro do range ela é válida. Uma outra maneira é informar o erro máximo dentro da escala. Quando trabalhamos com erro relativo, este é informado em porcentagens do fundo de escala. (Werneck, 1996) Precisão ou Repetibilidade: é a capacidade de se obter o mesmo valor em diversas medidas. Pode ser dada pelo desvio padrão das medidas 13

21 efetuadas de um mesmo valor ou pelo maior erro esperado em qualquer medida. Em alguns instrumentos, a repetibilidade é de fundamental importância. (Werneck, 1996) Relação Sinal / Ruído: É a relação entre a potência de um sinal qualquer presente na saída de um instrumento e a potência do sinal de ruído com o sinal ausente. Também pode ser dado em decibéis (db), calculados como sendo vinte vezes o logaritmo natural da relação sinal ruído. (Werneck, 1996) Estabilidade: é a capacidade de um circuito eletrônico voltar a uma situação de regime permanente (steady state) depois de receber um sinal transitório, como um degrau ou pulso, por exemplo. Depende principalmente do ganho de realimentação e da freqüência de ressonância do sistema. (Werneck, 1996) Isolação: é a maior tensão que pode estar presente em um determinado circuito do instrumento ou transdutor sem que haja ruptura da junção dielétrica entre o determinado ponto e o potencial de terra do instrumento, provocando uma descarga elétrica para outros pontos. É uma informação particularmente importante quando se trata de segurança do usuário em aparelhos de medida de altas tensões. (Werneck, 1996) Resposta de Freqüência: qualquer sistema eletrônico que manuseia sinais elétricos tem suas limitações em freqüência, isto é, sinais de determinadas freqüências são reproduzidos e de outras freqüências, não. Desta forma, define-se a resposta de freqüência como a faixa do espectro que determinado sistema pode reproduzir. (Werneck, 1996) Deriva: normalmente conhecida como drift, representa a mudança de alguma variável com o passar do tempo. Essa variação pode ser causada pelo envelhecimento de algum componente ou por uma elevação de temperatura, por exemplo. A unidade de drift é geralmente uma derivada, ou seja, o drift é sempre dado com relação a uma outra grandeza. (Werneck, 1996) Faixa de atuação: é o intervalo de valores da grandeza em que pode ser usado o sensor, sem destruição ou imprecisão. (Werneck, 1996) A seguir são apresentadas as características dos sensores usados no sistema de monitoramento ambiental: 14

22 O Sensor de Temperatura usado no sistema (LM35) é capaz de medir temperaturas entre 0 e 100 graus Celsius, com uma precisão de cerca de 10% de erro ele não necessita ser muito rápido, já que as medidas são feitas a cada 0,6 segundos. O Sensor de Nível feito com foto diodo e foto receptores, deixa de transmitir informações quando a água atinge o centro entre o foto diodo e o foto sensor. De acordo com uma lógica combinacional o sensor irá acionar ou desativa a bomba de água. O sensor de umidade tem uma precisão em torno de 10% a 15% e possui repetibilidade de valores. O sensor de fluxo de líquidos (interruptor) conduzirá tensão quando se tem fluxo de líquidos e deixa de conduzir caso contrário. Este sensor tem uma sensibilidade muito alta, pois o mínimo de deslocamento no êmbolo do interruptor é suficiente para detectar o fluxo do líquido no interior do cano. 4. ESPECIFICAÇÃO DO HARDWARE O hardware é constituído de 5 módulos. O Módulo dos Dispositivos, tem a finalidade de ativar e desativar os dispositivos externos através da porta paralela do computador. O módulo de temperatura aciona um ventilador, o módulo de controle de líquidos aciona uma bomba de água e o módulo de umidade aciona um vaporizador. Para implementar o módulo dos dispositivos são necessários relés de 12V de entrada e até 220V de saída com corrente máxima de 10A. O relé utilizado para acionar todos os dispositivos é o A1RC2 da Metaltex e atende as especificações de consumo dos dispositivos. Futuramente caso se deseje utilizar algum dispositivo de maior corrente apenas aconselha-se trocar o relé para um de maior capacidade, não precisando alterar mais nada no circuito atual. A bomba de água consome cerca 1A e utiliza 12V, o ventilador consome cerca de 0,2A e utiliza também 12V, e o umidificador de ar consome cerca de 1,1A e possui alimentação de 110V. Na figura 8, pode-se visualizar o circuito para realizar esta tarefa de ativar e desativar os dispositivos através da porta paralela: 15

23 Figura 8 Circuito para ativar e desativar dispositivos pela porta paralela Este circuito é responsável pelo acionamento dos dispositivos (ventilador, bomba de água e vaporizador de ar) através das saídas da porta paralela, quando os sensores mandam o sinal para a entrada de dados da porta paralela. Os três dispositivos (bomba de água, ventilador e vaporizador de ar) usam o mesmo circuito da figura 8, a única diferença é que somente um dos circuitos terá o CI 74LS541, e os outros dois usam o mesmo CI 74LS541 do primeiro dispositivo, portanto, os outros dois circuitos são ligados em S2 e S3 respectivamente. No circuito acima, o chip 74LS541 é usado para proteger a porta paralela de altas correntes. Ele é alimentado com 5v, diferentemente da outra parte do circuito que controla o relé, que precisa de 12v para ser acionada. Para leitura dos sensores são utilizados os mesmos pinos utilizados para o acionamento dos dispositivos (D0 a D7), para não ocorrer o risco da porta paralela receber e enviar dados ao mesmo tempo, causando conflito é utilizado dois latchs que são controlados por um bit de controle (pino 17 da porta paralela), este bit de controle ativará um latch de cada vez evitando portando que seja lido e escrito um valor na paralela ao mesmo tempo. Na Figura 9 16

24 podemos visualizar o esquemático de envio de sinais para o acionamento dos dispositivos e recebimento de sinais dos sensores através da porta paralela P1 CONNECTOR DB D 1Q 4 2D 2Q 5 3D 3Q 6 4D 4Q 7 5D 5Q 8 6D 6Q 9 7D 7Q 8D 8Q LE OE 20 VCC 5V 74HC Q 1D 17 2Q 2D 16 3Q 3D 15 4Q 4D 14 5Q 5D 13 6Q 6D 12 7Q 7D 8Q 8D ENDEREÇAMENTO A0 ADC LE OE ENDEREÇAMENTO A1 ADC VCC ENDEREÇAMENTO A2 ADC 74HC V U3 2 3 A1 Y1 4 A2 Y2 5 A3 Y3 6 A4 Y4 7 A5 Y5 8 A6 Y6 9 A7 Y7 A8 Y G1 VCC G2 GND 74LS541 SAIDA D0 ADC SAIDA D1 ADC SAIDA D2 ADC SAIDA D3 ADC SAIDA D4 ADC SAIDA D5 ADC SAIDA D6 ADC SAIDA D7 ADC V 2.2 K 2.2 K 2.2 K BD BD BD317 3 DIODE LED DIODE LED DIODE 12V V V 110V A1RC A1RC Bomba de Agua Ventilador Umidif icador A1RC2 LED 470 Figura 9 Esquemático de entrada e saída da porta paralela Para enviar um bit com valor (1), deve-se ligar a respectiva entrada ao negativo e para enviar um bit com valor (0), deve-se desligar a respectiva entrada do negativo, desde que a lógica do pino não esteja invertida, neste caso para enviar um bit com valor (1), deve-se ligar a respectiva entrada ao negativo e para enviar um bit com o valor (0), deve-se ligar a respectiva entrada ao positivo. Os pinos de controle da porta paralela são: 1, 14, 16 e 17 sendo os pinos 1, 14 e 17 invertidos (ativa em 0 e desativa em 1), e para acessar os pinos de controle da porta paralela é necessário passar o valor dos quatro pinos mesmo que não se utilize os quatro, pois eles pertencem a um bloco único de controle, portanto não podem ser acessados individualmente. Na tabela 1 podemos verificar a pinagem de controle da porta paralela com a descrição de cada pino. 17

25 Descrição/número nenhum pino C3 C2 C1 C0 dos pinos: relacionado Posição dos bits: Byte em binário: Byte em Decimal: 15 Tabela 1 Configuração da pinagem de Controle da Porta Paralela Para se conseguir ler os dados dos sensores são necessários 3 bits para o endereçamento, para tanto foi utilizado os pinos 1, 14 e 16 da porta paralela. O pino 17 de controle da porta paralela foi utilizado para permitir a leitura ou a escrita dos dados e como se está lidando com a leitura dos dados, deixou-se o valor do pino em 0, mas como o pino 17 possui lógica invertida passa a receber o valor 1 para leitura e 0 para escrita, conforme podemos visualizar na Tabela 2. Binario Decimal Atividade Pino 17 Pino 16 Pino 14 Pino Le o valor do Sensor de Nível superior Le o valor do Sensor de Nível Inferior Le o valor do Sensor de Temperatura Le o valor do Sensor de Fluxo Le o valor do Sensor Bulbo Seco Le o valor do Sensor Bulbo Umido Tabela 2 Configuração dos valores utilizados para os pinos de Controle 18

26 Neste projeto serão usadas seis entradas do ADC, duas para os sensores de nível da caixa de água, duas para o sensor de umidade, uma para o sensor de temperatura e uma para o sensor de fluxo de líquidos. Para mensurar a temperatura é utilizado um sensor LM35 e um amplificador operacional para aumentar o ganho total para uma escala entre 0V e 5V. O ganho estimado para manter o sinal entre 0V e 5V é 10 vezes. E como o ganho deste tipo de circuito é 1+ R1/R2 e sendo assim R1 = 1Kohm e R2 = 9Kohm. Como 9Kohm é um valor de resistor fora do padrão de mercado foi utilizado um trimpot, como mostra a figura 10. Figura 10 Mensuração da Temperatura Para calcular a umidade relativa do ar foi utilizado o princípio do bulbo seco e bulbo úmido onde para cada um dos bulbos foi utilizado um LM 35. Na tabela 3 a linha representa a diferença de temperatura entre o bulbo seco e o bulbo úmido e a coluna representa a temperatura em graus do bulbo seco, cruzando estes valores encontramos a umidade relativa do ar em porcentagem. Por exemplo, digamos que bulbo sêco = 20ºC e bulbo úmido = 18ºC. A diferença é de 2ºC. No cruzamento desses dois valores (20 e 2) na tabela teremos então o valor da umidade relativa que é de 83%. 19

27 t.sêc o 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 0ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC

28 30ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC ºC Tabela 3 Tabela para medição e aferição da umidade relativa do ar Na figura 11 podemos visualizar o esquemático utilizado para montar o módulo de umidade com os sensores, resistores e amplificadores operacionais. Figura 11 Mensuração de umidade 21

29 Na figura 12 podemos visualizar o esquemático do fluxo que utiliza um interruptor especial e resistores. Figura 12 Indicador de Fluxo Na figura 13 vemos o diagrama esquemático dos sensores de nível inferior e superior que utilizam interruptores especiais (tipo bóia elétrica) e resistores Figura 13 Detector de nível superior e inferior 22

30 4.1 Diagrama de Blocos do Hardware Figura 14 Diagrama de Blocos do Hardware 5. ESPECIFICAÇÃO DO SOFTWARE A seguir estão localizados os diagramas de contexto do sistema, o diagrama de casos de uso, o diagrama de classe e o diagrama de seqüência, assim como está descrito a funcionalidade do software e a linguagem de programação utilizada para implementá-lo. 5.1 Diagrama de Contexto do Sistema Na figura 15 a seguir, pode-se visualizar o diagrama de contexto do sistema. 23

31 Figura 15 Diagrama de Contexto do Sistema 5.2 Funções do Software O software para o sistema deverá ser capaz de realizar as seguintes tarefas: Receber dados dos sensores sobre o nível de líquidos no reservatório através da porta paralela e ativar uma bomba de água quando o nível mínimo for atingido e desligar a bomba quando o nível máximo for atingido. Receber dados do sensor de temperatura através da porta paralela e ser capaz de acionar um ventilador de ar caso a temperatura chegue em 25º C, e de desligar este ventilador quando a temperatura atingir 20º C. Receber dados do sensor de umidade através da porta paralela e acionar um vaporizador de ar, caso o ambiente se torne muito seco. Após a umidade ter atingido um nível normal o programa desligará o vaporizador. 24

32 Receber dados do sensor de fluxo localizado em um cano através da porta paralela e indicar se há fluxo ou não de líquidos no interior do cano. Gravar no banco de dados as leituras de todos os sensores e mostrar na tela a leitura de todos em tempo real. 5.3 Linguagem de Desenvolvimento do Software O software será desenvolvido em C++ utilizando o programa C++ Builder versão 5.0 da Borland. 5.4 Diagrama de Casos de Uso Os casos de uso capturam os requisitos da aplicação através da representação dos atores que usam ou são usados pelo sistema e suas possíveis ações. Eles são descritos sob o ponto de vista do usuário: o que ele pode fazer, e como ele interage com o sistema. Os casos de uso são apresentados na forma de diagramas UML. 25

33 Figura 16 - Diagrama de Caso de Uso da Porta Paralela 26

34 Figura 17 Diagrama de Caso de Uso do Usuário do Sistema 5.5 Diagrama de Classes Uma classe é uma estrutura o a partir da qual são criados (gerados) objetos. Cada objeto tem a mesma estrutura e comportamento da classe na qual ele teve origem. Se o objeto obj pertence à classe C, dizemos que obj é uma instância de C. (Page Jones,2001). A seguir pode-se visualizar o diagrama de classes referente ao projeto do software. 27

35 Figura 18 Diagrama de Classes do Sistema 28

36 5.6 Diagrama de Sequência Os detalhes de um caso de uso podem ser documentados utilizando-se diagramas de seqüência. Um diagrama de seqüência mostra a ordem na qual mensagens são trocadas entre o(s) ator(es) e o sistema. Logo a seguir são apresentados os diagramas de seqüência do projeto. O diagrama da Figura 19 é responsável por ler os valores dos sensores de nível superior e de nível inferior e gravar estes valores no banco de dados de forma sistemática. O método SetaControle(), recebe 11 como passagem de parâmetro para endereçar o ADC, de forma a permitir a leitura do sensor de nível superior. Em seguida a porta paralela ativa os pinos (D0 a D7) para o recebimento dos dados através do método LeDados(). Por fim este valor lido é gravado no banco de dados, na tabela chamada CbrokerSuperior. Após a leitura e gravação do valor do sensor de nível superior o sistema chama o método SetaControle() novamente, o qual recebe o valor 10 como passagem de parâmetro, assim endereçando o ADC para habilitar a leitura do sensor de nível inferior. Em seguida a porta paralela ativa os pinos (D0 a D7) através do método LeDados(), para o recebimento do valor lido pelo sensor. Por último este valor é gravado no banco de dados, na tabela chamada CBrokerInferior. Figura 19 Diagrama de Seqüência de Leitura dos Sensores de Nível 29

37 O diagrama da Figura 20 é responsável por ler os valores do sensor de temperatura e gravar este valor no banco de dados de forma sistemática. A primeira ação SetaControle(9), recebe 9 como passagem de parâmetro para endereçar o ADC, permitindo a leitura do sensor de temperatura em questão. Em seguida a porta paralela ativará os pinos (D0 a D7) para o recebimento dos dados através do método LeDados(). Por fim este o valor lido é gravado no banco de dados na tabela chamada CbrokerTemperatura. Figura 20 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Temperatura O diagrama da figura 21 é responsável por realizar a leitura do valor mensurado pelo sensor de fluxo e gravar este valor no banco de dados. O método SetaControle(), recebe o valor 8 como passagem de parâmetro para endereçar o ADC de forma que seja ativada a leitura do sensor de fluxo. Em seguida é executado o método LeDados(), que é responsável por ativar a leitura dos dados pelo barramento (D0 a D7) e ler estes valores. Após feita a leitura é gravado estes valores através do método GravaFluxo na tabela CbrokerFluxo do banco de dados. 30

38 Figura 21 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Fluxo O Diagrama da Figura 22 possui a finalidade de ler os valores dos sensores de bulbo seco e bulbo úmido, calcular a umidade relativa do ar e ainda gravar o valor calculado na tabela CBrokerUmidade do banco de dados. O método SetaControle() recebe o parâmetro 15 para endereçar o ADC de forma que seja habilitada a leitura do sensor de bulbo seco. A seguir é executado o método LeDados(), que é responsável por ativar a leitura de dados do barramento (D0 a D7) da porta paralela e ler o valor encontrado no barramento. Após lido o valor do bulbo seco o processo é repetido para o sensor de bulbo úmido. Com os dois valores mensurados (bulbo seco e bulbo úmido) é chamado o método CalculaUmidade() que calcula a umidade relativa do ar de acordo com a Tabela 3. Por último o valor da umidade relativa do ar calculado é gravado na tabela CBrokerUmidade do banco de dados. 31

39 Figura 22 Diagrama de Seqüência de Leitura do Sensor de Umidade O Diagrama de sequência da Figura 23 é responsável por ativar ou desativar a bomba de água de forma autônoma. Para ativar ou desativar a bomba de água os métodos chamados são os mesmos o que muda é a passagem de parâmetros. Figura 23 Diagrama de Seqüência da Bomba de Água (automática) 32

40 O Diagrama de sequência da Figura 24 é responsável por ativar ou desativar o ventilador de forma autônoma. Para ativar ou desativar o ventilador os métodos chamados são os mesmos o que muda é a passagem de parâmetros. Figura 24 Diagrama de Seqüência do Ventilador (automático) O Diagrama de sequência da Figura 25 é responsável por ativar ou desativar o umidificador de ar de forma autônoma. Para ativar ou desativar o umidificador de ar os métodos chamados são os mesmos o que muda é a passagem de parâmetros. Figura 25 Diagrama de Seqüência do Umidificador (aumomático) 33

41 O diagrama de sequência da Figura 26 é responsável pela ativação ou pela desativação do umidificador de ar de forma manual (pelo usuário). O usuário pode através da interface, acionar (método AcionaUmidificador()) ou destivar (método DesativaUmidificador()) o umidificador de ar e tanto na ativação quanto na desativação os métodos utilizados são os mesmos, mudando apenas as passagens de parâmetros. Estes processos chamam duas vezes o método SetaControle(), uma para setar o bit de controle para escrita e a outra para retornar ao seu estado inicial de forma a não alterar seu valor quando termina a ativação ou a desativação do dispositivo. Figura 26 Diagrama de Seqüência do Umidificador de Ar (manual) 34

42 O diagrama de sequência da Figura 27 é responsável pela ativação ou pela desativação do ventilador de forma manual (pelo usuário). O usuário pode através da interface, acionar (método AcionaVentilador()) ou destivar (método DesativaVentilador()) o ventilador e tanto na ativação quanto na desativação os métodos utilizados são os mesmos, mudando apenas as passagens de parâmetros. Estes processos chamam duas vezes o método SetaControle(), uma para setar o bit de controle para escrita e a outra para retornar ao seu estado inicial de forma a não alterar seu valor quando termina a ativação ou a desativação do dispositivo. Figura 27 Diagrama de Seqüência do Ventilador (manual) 35

43 O diagrama de sequência da Figura 28 é responsável pela ativação ou pela desativação da bomba de água de forma manual (pelo usuário). O usuário pode através da interface, acionar (método AcionaBomba ()) ou destivar (método DesativaBomba()) a bomba de água e tanto na ativação quanto na desativação os métodos utilizados são os mesmos, mudando apenas as passagens de parâmetros. Estes processos chamam duas vezes o método SetaControle(), uma para setar o bit de controle para escrita e a outra para retornar ao seu estado inicial de forma a não alterar seu valor quando termina a ativação ou a desativação do dispositivo. Figura 28 Diagrama de Seqüência da Bomba de Água (manual) 36

44 O diagrama de sequência da Figura 29 possui a função de calcular a temperatura através do valor lido pelo sensor de temperatura. O método responsável pelo cálculo da temperatura (CalculaTemperatura()), utiliza a seguinte fórmula matemática (Temperatura = valor lido pela porta paralela do sensor de temperatura * 0,1964 ). Figura 29 Diagrama de Seqüência da Temperatura O diagrama de sequência da Figura 30 possui a função de calcular a umidade relativa do ar, através dos valores lidos pelos sensores de bulbo seco e de bulbo úmido. O método responsável pelo cálculo da temperatura (CalculaUmidade()), utiliza a seguinte fórmula matemática (Bulbo Seco = valor lido pelo sensor de temperatura seco * 0,1964 e Bulbo Úmido = valor lido pelo sensor de temperatura úmido * 0,1964). Os valores calculados por estes dois sensores de temperatura são comparados com os valores da Tabela 3 que tem como saída o valor em percentagem da umidade relativa do ar. Figura 30 Diagrama de Seqüência da Umidade 37

45 5.7 Banco de Dados O banco de dados utilizado pelo sistema é o Paradox 7, e este conterá 6 tabelas, tendo uma tabela para cada sensor. Na Figura 31 têm-se a descrição da tabela tblfluxo, responsável por armazenar os dados referente a data, hora e os valores lidos pelo sensor de fluxo. Figura 31 Tabela Fluxo do Banco de Dados Na figura 32 pode-se visualizar a forma com que os dados são gravados na tabela de fluxo. 38

46 Figura 32 Gravação dos Dados na Tabela de Fluxo do Banco de Dados Na Figura 33 têm-se a descrição da tabela tblinferior, responsável por armazenar os dados referente a data, hora e os valores lidos pelo sensor de nível inferior. Figura 33 Tabela Fluxo do Banco de Dados 39

47 Na figura 34 pode-se visualizar a forma com que os dados são gravados na tabela de nível inferior. Figura 34 - Gravação dos Dados na Tabela de Fluxo do Banco de Dados Na Figura 35 têm-se a descrição da tabela tblsuperior, responsável por armazenar os dados referente a data, hora e os valores lidos pelo sensor de nível superior. 40

48 Figura 35 Tabela de Nível Superior do Banco de Dados Na figura 36 pode-se visualizar a forma com que os dados são gravados na tabela de nível superior. Figura 36 - Gravação dos Dados na Tabela de Nível Superior do Banco de Dados 41

49 Na Figura 37 têm-se a descrição da tabela tbltemperatura, responsável por armazenar os dados referente a data, hora e os valores lidos pelo sensor de temperatura. Figura 37 Tabela Temperatura do Banco de Dados Na figura 38 pode-se visualizar a forma com que os dados são gravados na tabela de temperatura. Figura 38 - Gravação dos Dados na Tabela Temperatura do Banco de Dados 42

50 Na Figura 39 têm-se a descrição da tabela tblumidade, responsável por armazenar os dados referente a data, hora e os valores lidos pelo sensor de nível superior. Figura 39 Tabela Temperatura do Banco de Dados Na figura 40 pode-se visualizar a forma com que os dados são gravados na tabela de umidade. Figura 40 - Gravação dos Dados na Tabela Umidade do Banco de Dados 43

51 5.8 Interface de comunicação do usuário Na figura 41 temos a interface principal do software onde o operador pode optar pelo controle automático ou manual do sistema. Figura 41 Interface do Software (SMA) 44

52 5.8.1 Controle manual do Sistema Para a utilização do sistema de forma manual deve-se clicar no botão para parar a leitura dos sensores e interromper a gravação do banco, assim o sistema estará apto para receber as instruções do operador. Se este botão for pressionado novamente o sistema voltará a funcionar de forma automática novamente e voltará ler os valores dos sensores Ativação e Desativação de Dispositivos Manualmente A ativação ou desativação dos dispositivos de forma manual se restringem somente a área descrita na Figura 42: Figura 42 Controle manual dos Dispositivos Para ativar manualmente o Ventilador deve-se pressionar o radio Box; Para desativar manualmente o Ventilador deve-se pressionar o radio Box; 45

53 Para ativar manualmente o Umidificador de Ar deve-se pressionar o radio Box; Para desativar manualmente o Umidificador de Ar deve-se pressionar o radio Box; Para ativar manualmente a Bomba de Água deve-se pressionar o radio Box; Para desativar manualmente a Bomba de Água deve-se pressionar o radio Box; Se desejar acionar todos os dispositivos simultaneamente deve-se pressionar o radio Box; Se desejar desligar todos os dispositivos simultaneamente deve-se pressionar o radio Box; Estes comandos citados acima servem somente para controlar as condições ambientais manualmente devendo portando ser pressionado o botão acima. antes de se selecionar qualquer uma das opções descritas Valor lidos de temperatura e de umidade A temperatura e a umidade atual podem ser vistas o campo Valores Lidos conforme a Figura 43, onde no campo Temperatura será mostrado a última temperatura lida em graus celsius, já a umidade será mostrada no campo Umidade e expressa em % em relação a umidade relativa do ar. 46

54 Figura 43 Mensuração de Temperatura e Umidade Mudança de Parâmetros de Temperatura No lado superior direito encontram-se duas células que servem para alterar o intervalo de temperatura que o ambiente estará sujeito como mostra a Figura 44. Figura 44 Parâmetros de Temperatura passados pelo Usuário A opção superior corresponde à temperatura máxima que o sistema poderá alcançar, ou seja, quando a temperatura do ambiente chegar ao valor estipulado neste campo o ventilador será automaticamente acionado. A opção inferior corresponde à temperatura em que o ventilador será desativado, para que a temperatura permaneça entre estes dois intervalos. O valor do Parâmetro de Temperatura Superior e o Parâmetro de Temperatura Inferior não devem ser muito próximos, pois neste caso o sistema ficará seguidamente ativando e desativando o ventilador, podendo prejudicar o funcionamento do dispositivo. 47