Desenvolvimento de um Temporizador Programável Microcontrolado para Agricultura Maria Luciene de Oliveira Lucas 1, Pedro Paulo da Cunha Machado 2 1 Granduanda do Curso Tecnólogo em Sistema de Informação do Instituto Superior de Tecnologia de Paracambi (IST- Paracambi) Rua Sebastião Lacerda, Fábrica - Paracambi, 23660-000 RJ - Brazil 2 Professor do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Campus Paracambi Rio de Janeiro. lufrrj@gmail.com, pedro.pmachado@gmail.com Resumo. Temporizadores são utilizados para ligar e desligar equipamentos elétricos. Na agricultura os temporizadores são muito utilizados no controle da irrigação e em cultivos hidropônicos. Neste trabalho foi desenvolvido um protótipo de um temporizador programável para ser utilizado em ambientes agrícolas, com combinações de programação de 1 segundo a 99 horas, mudança automática de temporização diferencial para horário diurno/noturno e gravação dos tempos programados em memória EEPROM. O sistema foi desenvolvido usando microcontrolador PIC18F4550 de 8 bits da MICROCHIP. O protótipo funcionou de acordo com o esperado, tanto nas programações das combinações dos tempos e na mudança automática da temporização para o dia e para noite. A precisão obtida nos tempos programados para ligar e desligar equipamentos foi da ordem de 1%. Abstract. Timers are used to turn on and turn off electrical equipment. In agriculture timers are used to control irrigation and in hydroponic systems. In this work we developed a prototype of a programmable timer for use in agricultural environments, with combinations of programming from 1 second to 99 hours, with automatic program for day / night and recording the programmed times in EEPROM memory. The system was developed using microcontroller PIC18F4550 of 8-bit. The prototype worked as expected, both the scheduling of time, the automatic change from day to night and the accuracy achieved to turn on and turn off equipments was about 1%. 1. Introdução Temporizador ou timer, como também é conhecido, é um dispositivo capaz de ligar ou desligar sistemas elétricos e eletrônicos, após decorrido um período predeterminado de tempo. Os temporizadores microcontrolados permitem sua programação, elevando suas possibilidades de intervalos entre os ciclos operacionais (ligado ou desligado) de algum processo que ele esteja controlando. De acordo com as estratégias de controle, os temporizadores são definidos como controladores de malha aberta. São também utilizados em processos industriais, aparelhos domésticos, equipamentos odontológicos, semáforos rodoviários, agricultura e outros equipamentos com funcionamentos periódicos (Bazanella & Silva Junior, 2005). 1
São freqüentes os estudos na agricultura que utilizam os temporizadores para o controle de fotoperíodo, irrigação e cultivos hidropônicos. Uma grande quantidade de combinações entre os períodos de tempo em que os equipamentos controlados serão ligados e desligados, irão depender das técnicas empregadas, do clima e das espécies cultivadas. Um dos fatores que geralmente influenciam na tomada de decisão, quando utilizamos automação em um cultivo agrícola, é a disponibilidade de temporizadores que atendam as necessidades de um determinado projeto. A agricultura é uma das áreas que já vem se beneficiando dessa tecnologia (Fontes & Cagnom, 2002). O uso do temporizador programável no controle da automação de sistemas de produção agrícola se constitui em uma alternativa que se apresenta bastante vantajosa, tendo em vista a grande flexibilidade que o mesmo oferece quando da necessidade de alteração na programação do sistema, visando o uso racional dos recursos empregados e a qualidade no processo produtivo (Fontes & Cagnom, 2002). Muitos trabalhos na área agrícola apresentam uma grande variação da intermitência dos temporizadores no controle das motobombas da ordem de segundos, minutos e horas. O temporizador é considerado um dispositivo fundamental para instalação de cultivo hidropônico (Staff, 1998). A hidroponia é em uma técnica de produção de plantas na qual o solo é substituído por uma solução nutritiva composta de água e elementos minerais, onde a água que circula por uma bomba é ligada periodicamente por um temporizador (Furlani, 1998). Neste estudo foi desenvolvido um temporizador programável para suprir as necessidades do mercado agrícola, com combinações de tempos de intermitência de 1 segundo a 99 horas. 1.1 Objetivo Desenvolver um protótipo de um temporizador digital programável, com mudança automática de programação diurna e noturna e gravação dos tempos programados em memória EEPROM para ser utilizado em ambientes agrícolas ou em instituições de ensino onde tenham estudantes que trabalhem com o uso de temporizadores para experimentos e outras atividades relacionadas ao ensino educacional. 2 Material e Métodos 2.1 Microcontrolador PIC Os microcontroladores PIC reúnem, em um único chip, todos os circuitos necessários para o desenvolvimento de um sistema digital programável. Eles dispõem internamente, de uma Unidade Central de Processamento (CPU), que controla todas as funções realizadas pelo sistema. A CPU, por sua vez, possui diversos registradores e a Unidade Lógica Aritmética (ALU), onde são executadas todas as funções matemáticas e lógicas. Basicamente, toda movimentação de dados passa através da ALU. De acordo com Souza (2008), o PIC18F4550 é um dos modelos mais completos da família PIC18F, possuindo as seguintes características: 2
- Máquina de comunicação USB 2.0; - USB funciona em modo low speed (1,5 Mb/s) e full speed (12 Mb/s); - Alta corrente por pino, podendo fornecer 25 ma; - Três interrupções externas; - Quatro timers (Timer0 a Timer3); - Módulo ECPP; - Conversor A/D de 10 bits; - Máquina de multiplicação por hardware de 8x8 bits; - Entrada para comparador; 2.2 Desenvolvimento do Circuito Eletrônico 2.2.1. Simulação utilizando o Software Proteus Antes de desenvolver o circuito eletrônico do protótipo com componentes físicos, foi realizado uma simulação com uma versão virtual do protótipo criada por meio do software Proteus 1. Este software é um aplicativo simulador interativo, que permite criar, simular o funcionamento de circuitos eletrônicos. Com isto, o tempo de construção e adaptação se torna muito menor, pois possuem uma ampla variedade de componentes eletrônicos como os microcontroladores, os led s, as portas lógicas, etc. (LABCENTER, 2009). A construção do protótipo na versão virtual usando o ambiente ISIS Proteus (Figura 1). Para este primeiro teste, foi desenvolvido um código em linguagem C, com uso do software MIKROC, desenvolvido pela empresa Mikroeletrônica 2. 1 www.labcenter.co.uk/index.cfm 2 www.mikroe.com 3
Figura 1 Protótipo Virtual Desenvolvido pelo Ambiente ISIS Proteus, versão 7.0. 2.2.2. Desenvolvimento do Software em Linguagem C usando o Ambiente de Programação MIKROC O software em linguagem C foi desenvolvido dentro de uma estrutura cíclica, para varreduras dos botões de programação, conversor A/D, determinação dos tempos ligado/desligado e controle do relé. O programa que compõem o protótipo foi escrito na linguagem C usando o compilador MikroC Versão 8.0 3 3 www.mikroe.com 4
A figura 2 apresenta o fluxograma do software utilizado para o gerenciamento do temporizador. 5
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Figura 2 - Fluxograma do Gerenciador do Microcontrolador 2.2.3 Teste do Programa em Linguagem C na Placa de Testes EASYPIC5 A placa EASYPIC5 4 (Figura 3) é um laboratório de testes comercializada pela empresa MikroElektronika para avaliação dos softwares desenvolvidos usando seus ambientes de programação (MikroBasic, MikroPascal e MikroC). Após os testes positivos com a simulação no PROTEUS, houve a necessidade da realização de testes com uma placa eletrônica real. E esta placa oferece o display LCD, leds indicadores, botões tipo pushbutton, entrada de conversão A/D e principalmente utilizada um microcontrolador real. Os testes foram importantes para os ajustes e determinação da precisão das medidas de tempo. 4 www.mikroe.com 7
Figura 3 Laboratório Teste X EASYPIC5 2.2.4 Construção da Versão Final Protótipo Após os testes realizados na placa testes EASYPIC5, foi construída a versão final do protótipo em placa de circuito impresso (Figura 4). O protótipo foi montado em um quadro de uma forma didática, onde está fixo o temporizador, a fonte de alimentação, o relé, a tomada para ligação do equipamento a ser controlado. A mesma apresenta dois pontos luminosos, a cor vermelho identifica que o relé está ligado e a cor azul que está desligado. Na construção foi utilizado o microcontrolador PIC18F4550. Os botões permitem a digitação dos valores dos tempos (ligado/desligado) e um sensor de luminosidade LDR (Light Dependent Resistor), que permite a mudança automática da programação para o dia ou para a noite, de acordo com as necessidades apresentadas nos cultivos agrícolas. O circuito eletrônico é constituído principalmente pelo microcontrolador, um display LCD (Liquid Crystal Display) de 2 linhas por 16 colunas (2x16), Cristal de 8 MHz, transistor, regulador de tensão para 5 V (7805), botões tipo 8
pushbutton, relé (12 V e 30 A) e uma fonte de alimentação de 12 V. Figura 42 - Versão Final do Protótipo 2.2.5 Avaliação de Erros de Temporização Foi desenvolvido um programa MONITOR em linguagem Delphi (Figura 5) para ser executado em um computador pessoal com objetivo de avaliar as medidas dos intervalos de tempo, gerados pela placa de testes e com isso realizar os ajustes das variáveis de controle. Para determinação dos intervalos ligado e desligado da placa de testes, foi ligado um cabo paralelo ao relé. O programa MONITOR utilizou os períodos obtidos na porta paralela para comparação com o relógio do sistema, na unidade de milissegundos (10-3 segundos). Os valores lidos da porta paralela foram apresentados em um gráfico e em uma caixa de com possibilidade de gravação em disco. A figura 4 apresenta o programa MONITOR numa avaliação de programação do temporizador de um minuto ligado e um minuto desligado, que equivaleria a uma leitura de 60.000 milissegundos. 9
Figura 5 - Apresenta Intervalos em Milissegundos de um Minuto, Ligado ou Desligado 10
3 Conclusões O protótipo desenvolvido apresentou as funcionalidades esperadas, como a programação via botões pushbutton, uso do sensor de luminosidade que permite mudança automática diurna/noturna atingindo desempenho esperado. Dessa forma, permite uma programação diferenciada para noite. Os erros obtidos para todas as unidades de tempo foram de aproximadamente de 1%, que é suficiente para a utilização em equipamentos agrícolas. Como os dados são salvos na memória EEPROM, na falta de energia elétrica a programação não é perdida. Visto que é uma vantagem para agricultura, pois alguns temporizadores analógicos perdem a programação nessa situação. O temporizador desenvolvido pode ser usado em diferentes atividades agrícolas, pois permite programação com combinações de 1 segundo a 99 horas, o que se torna um diferencial frente a temporizadores comerciais de baixo custo, cujo tempo mínimo é de 15 minutos. Com a utilização desse protótipo é possível demonstrar em aulas práticas de disciplinas relacionadas à área agrícola, como é o funcionamento da irrigação para diferentes culturas. O aparelho pode ser usado tanto para trabalhos com estudantes do ensino médio quanto para nível superior. O protótipo é didático e pode ser usado nas aulas sobre uso de linguagens de programação no desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas. A utilização de microcontrolador no desenvolvimento do temporizador possibilita atualizações do software de gerenciamento, facilitando o aperfeiçoamento em projetos futuros. Apesar do projeto ter sido desenvolvido para agricultura, o temporizador pode ser utilizado em outras áreas desde que seja levado em consideração a faixa dos erros obtidos. Os aparelhos elétricos que podem ser ativados dependem da corrente máxima permitida pelo relé, que é da ordem de 30 A e voltagem de 110 a 240 V ou também essa capacidade pode aumentada usando uma chave contatora. 4. Referências BAZANELLA, A. S.; SILVA JUNIOR, J. M. G. da. Sistemas de Controle Princípios e Métodos de Projeto. Porto Alegre: UFRGS, 2005. 299p. FURLANI, P.R. Instrução para o cultivo de hortaliça de folha pela técnica de hidroponia- NFT. Campinas: Instituto Agronômico, 1998. 30p. (Documentos IAC, 168). FONTES, I. R.; CAGNOM, J. A. Sistema de Supervisão e Controle para Aplicação em Viveiros de Mudas. São Paulo: Departamento de Engenharia Elétrica - Feb - Unesp, 2002. 5 p. LABCENTER. Proteus, 2009. Disponível em: LabCenter <http://www.labcenter.co.uk/index.cfm>.acesso em: 12 dezembro 2009. STAFF, H. Hidroponia. 2ª ed. Cuiabá: SEBRAE/MT, 1998. 101p. (Coleção Agroindústria; v. 11). 11
SOUZA, V. A. Programação em C para o DSPIC: Fundamentos / Vitor Amadeu Souza. - São Paulo: Ensino Profissional, 2008, 215 p. 12