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I
BENEDITO MIGUEL CALIL
AUTOMAÇÃO DE PISCICULTURA EM
TANQUES ARTIFICIAIS
Taubaté – SP
2005
Livros Grátis
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II
BENEDITO MIGUEL CALIL
AUTOMAÇÃO DE PISCICULTURA EM
TANQUES ARTIFICIAIS
Taubaté – SP
2005
Dissertação apresentada para obtenção do Título de Mestre pelo Curso de Mecânica do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté . Área de concentração: Automação Industrial e Robótica. Orientador: Prof. Dr. Marcio Abud Marcelino.
III
BENEDITO MIGUEL CALIL
AUTOMAÇÃO DE PISCICULTURA EM TANQUES ARTIFICIAS
UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ, TAUBATÉ, SP.
Taubaté 23 de fevereiro de 2005
Resultado : Aprovado
COMISÃO JULGADORA
_________________________________________________________
Prof. Dr. Marcio Abud Marcelino, Universidade de Taubaté
_________________________________________________________
Prof. Dr. Francisco José Grandinetti, Universidade de Taubaté
_________________________________________________________
Prof. Dr.Inácio Bianchi, UNESP – Campus de Guaratinguetá
_________________________________________________________
Prof. Dr. Alvaro Manuel Souza Soares, Universidade de Taubaté .
_________________________________________________________
Prof. Dr. Teófilo Miguel de Souza, UNESP – Campus de Guaratinguetá
IV
Dedico este trabalho a meu Pai Pedro Nagib Calil e minha Mãe Vera Saud
Calil
(In memorian )
V
AGRADECIMENTOS
Em primeiro lugar à minha esposa que, com muita paciência, soube
compreender meus momentos de ausência.
Ao meu orientador, que mesmo fora do horário, sempre me atendeu.
À Universidade de Taubaté e ao Colégio Técnico Taubaté que
abriram seus laboratórios e acervos.
E, finalmente, a todos que, direta ou indiretamente, contribuíram
para que este trabalho se concretizasse.
VI
RESUMO
CALIL,BENEDITO MIGUEL. Automação de Piscicultura em Taques
Artificias. 2005. 44f. Dissertação de Mestrado, Engenharia Mecânica, Automação e
Controle – Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté.
Um dos maiores problemas da criação de peixes em tanques artificiais é a
alimentação, que deve ser equilibrada e na quantidade certa para a massa do peixe.
Atualmente a grande maioria dos criadouros realiza a alimentação manual e altamente
variável. Com alimentações em pontos definidos e em intervalos periódicos, os peixes
maiores acabam dominando a área de alimentação e impedem que os menores se
aproximem e recebam a ração necessária, reduzindo assim a produtividade do tanque.
Esse trabalho apresenta um sistema de alimentadores automáticos, controlados
por microcontrolador, que permite, através de software, uma aleatoriedade no
acionamento dos alimentadores reduzindo assim a possibilidade do peixe mais forte
prever qual alimentador será acionado.
Para implementação desse controlador foi utilizado o microcontrolador 8051, de
baixo custo, que necessita de pouco hardware adicional para sistemas de pequeno porte,
sendo assim uma solução simples e viável.
PALAVRAS-CHAVE : Alimentação de Peixe, Microcontrolador, Produtividade,
Automação.
VII
ABSTRACT
CALIL, BENEDITO MIGUEL. Automation of Fish Farming in Artificial
Tanks. 2004. Master´s Degree in Mechanical Engineering: Automation and
Controlling, Department of Mechanical Engineering, University of Taubaté, Taubaté,
São Paulo State, Brazil.
As far as raising fish in artificial tanks is concerned, feeding is one of the major
problems. It has to be balanced and in the right amount, which is supposed to consider
the mass of each fish. Nowadays, the great majority of nurseries use manual and highly
variable feeding, in pre-established points an at regular intervals, which allows bigger
fishes to take control of the feeding area, not letting the smaller ones approach and
receive the necessary ration thus leading to a decrease in the productivity of the tank.
This paper intends to discuss a possible solution for the problem, by presenting a
system of automatic feeders, controlled by a microcontroller, provided by a software
that grants a virtually unpredictability of where and when the feeders will be on, which
is sure to reduce the possibility of stronger fishes to predict which feeder will be
activated.
To make this controller, the 8051 microcontroller was used, due to its low cost
and low necessity of additional hardware for small load systems, managing this way to
be a simple and viable solution.
KEYWORDS: Fish Feeding, Microcontroller, Automation,Productivity.
VIII
SUMÁRIO
1 Introdução ................................................................................................................. 01 2 Piscicultura ................................................................................................................ 02 2.1 Alimentação Animal ........................................................................................ 02 2.1.1 Cocho Submerso................................................................................. 04 2.1.2 Biomassa Estocada............................................................................. 04 2.1.3 Alimentador Automático Convencional............................................. 04 2.2 Peixes Estudados........................................................................................... 04 2.2.1 Tilápia do Nilo.................................................................................... 05 2.2.2 Pacu.................................................................................................... 05 2.3 Tipos de Criadouros........................................................................................ 06 2.3.1 Gaiola Flutuante................................................................................. 07 2.3.2 Viveiro ou Tanque.............................................................................. 08 3 Alimentadores............................................................................................................ 09 3.1 Alimentadores Desenvolvidos.......................................................................... 09 3.1.1 Alimentador Modelo 1........................................................................ 09 3.1.2 Alimentador Modelo 2........................................................................ 10 3.1.3 Alimentador Modelo 3........................................................................ 11 3.2 Alimentador Proposto....................................................................................... 11 3.2.1 Detalhes Construtivos......................................................................... 13 3.2.1.1 Solenóide de Movimento Angular..................................................... 13 3.2.1.2 Rosca Sem-Fim................................................................................... 15 4 Dimensionamento da Carga dos Alimentadores........................................................ 17 4.1 Dimensionamento dos Alimentadores.............................................................. 17 5 Aleatoriedade............................................................................................................. 22 5.1 Localização dos Alimentadores........................................................................ 22 5.2 Tabela de Aleatoriedade................................................................................... 23 5.3 Número de Acionamentos................................................................................ 25 6 Controlador Microprocessado.................................................................................... 32 6.1 Microcontrolador.............................................................................................. 32 6.1.2 Fluxograma do Programa Assembly.................................................. 36 6.1.3 Programa Assembly .......................................................................... 38 6.2 Os Circuitos Eletrônicos................................................................................... 39 6.2.1 Interface de Potência.......................................................................... 41 6.2.2 Microcontrolador e Periféricos........................................................... 40 7 Sistema Construído.......... ......................................................................................... 43 8 Conclusões ................................................................................................................ 45
IX
ÍNDICE TABELAS
Tabela 1 Relação Alimentação e Peso do Peixe......................................................... 03 Tabela 2 Demonstração do ganho de massa viva em função da alimentação por peixe 19 Tabela 3 Tabela de Aleatoriedade............................................................................... 24 Tabela 4 Influência da Temperatura........................................................................... 27 Tabela 5 Número de Acionamentos por Alimentador................................................ 29 Tabela 6 Intervalo entre Acionamentos...................................................................... 30 Tabela 7 Especificações Técnicas do 8051................................................................. 33
X
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 Tilápia do Nilo.............................................................................................. 05 Figura 2 Pacu............................................................................................................... 06 Figura 3 Viveiro em Tela para Confinamento............................................................. 07 Figura 4 Vista em Corte de um Tanque para Piscicultura........................................... 08 Figura 5 Alimentador Acionado por Moto-Redutor.................................................... 10 Figura 6 Alimentador Acionado por Solenóide........................................................... 10 Figura 7 Alimentador Acionado por Paleta................................................................. 11 Figura 8 Vistas (A) lateral e (B) frontal do alimentador............................................. 12 Figura 9 Solenóide de Movimento Angular................................................................ 13 Figura 10 Detalhes das Forças Resultantes................................................................... 14 Figura 11 Circuito de Acionamento.............................................................................. 15 Figura 12 Dimensões da Rosca Sem-Fim...................................................................... 16 Figura 13 Característica Peso x Semana de Engorda.................................................... 19 Figura 14 Distribuição dos Alimentadores.................................................................... 23 Figura 15 Gráfico da Biomassa Adquirida e Consumo de Ração................................. 25 Figura 16 Relação de Lucratividade e Consumo........................................................... 26 Figura 17 Pulsos de Acionamento................................................................................. 31 Figura 18 Diagrama de Blocos...................................................................................... 32 Figura 19 Pinagem do 8051........................................................................................... 33 Figura 20 Diagrama em blocos do 8051....................................................................... 33 Figura 21 Registrador TCON........................................................................................ 35 Figura 22 Registrador TMOD....................................................................................... 35 Figura 23 Fluxograma do Programa Assembly............................................................. 36 Figura 24 Interface de Potência dos Alimentadores...................................................... 40 Figura 25 Esquema Eletrônico Completo do Sistema................................................... 42 Figura 26 Foto do alimentador...................................................................................... 43 Figura 27 Foto saída ração............................................................................................. 43 Figura 28 Placa eletrônica da interface.......................................................................... 44 Figura 29 Placa do microcontrolador............................................................................ 44
XI
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
µ Micro = 10-6
A Ampère
DC Tensão Continua
FT Fator de Temperatura
g Grama
Hz Freqüência Hertz
I Corrente Elétrica
k Kilo = 103
M Mega = 106
Ms Massa prevista na semana
Na Número de Acionamentos
Rd Consumo de Ração Diária
Rs Consumo de Ração Semanal
SCR Retificador Controlado de Silício
t tempo
V Volts
Vp Tensão de pico
Vrms Tensão rms
∆ variação
φ Deslocamento angular
Ω Ohm
1
1 – INTRODUÇÃO
O controle da alimentação é, sem dúvida, o maior problema atualmente
enfrentado na criação de peixes, seja em tanques ou em gaiolas [1]. Sabe-se que a
qualidade e a quantidade do alimento fornecido influenciam diretamente na
produtividade da criação. Para se controlar a qualidade do alimento, basta um bom
fornecedor, porém, controlar a quantidade de ração, os intervalos de fornecimento e os
lugares onde será lançada é praticamente muito difícil, visto que atualmente isso é
realizado por um método manual e, conseqüentemente, sujeito à boa vontade humana.
Na prática a ração é lançada de latas, e, na tentativa de atingir a maior área possível do
reservatório, tenta-se espalhar o máximo possível a quantidade de ração lançada. Manter
um padrão de aleatoriedade, controle de quantidade e lugares nesse tipo de
fornecimento de ração é muito difícil. O ser humano é, por sua própria natureza, falho
nesse tipo de processo pois está sujeito a sentimentos de cansaço, fraqueza e etc.
Porém, na piscicultura, a relação entre o alimento consumido e a massa
adquirida pode atingir o valor de um para um, com relação à quantidade de proteínas da
ração. Sendo assim, uma distribuição homogênea de alimentos capaz de evitar que o
mais forte impeça o mais fraco de comer e a quantidade certa de alimento podem ser
fatores decisivos na qualidade e produtividade da criação [1].
Esse trabalho tem como objetivo automatizar um sistema de alimentação em
piscicultura, tendo em vista a grande necessidade de se ter uma alimentação igualmente
distribuída, promovendo assim, na fase de engorda, um crescimento homogêneo e
saudável dos indivíduos.
Nesse trabalho, apresenta-se um sistema composto por alimentadores de baixos
custo e ruído (o ruído condiciona o animal), controlados por microcontrolador,
permitindo que se possa controlar a quantidade de alimento em função da idade, tipo de
peixe e temperatura da água e principalmente sem a interferência do homem, com uma
aleatoriedade virtual e confiabilidade do processo que elimina completamente a
possibilidade de sempre os mesmos animais se alimentarem no mesmo local do
tanque.
2
2 – PISCICULTURA
Aqüicultura é toda atividade que visa à criação de organismos aquáticos (peixes,
crustáceos, répteis, algas, e etc.), em condições monitoradas e controladas pelo homem,
em um ecossistema que é fonte de oxigênio e de alimento para os animais [1]. A
piscicultura, que é especificamente a criação de peixes, é, portanto, uma forma de
aqüicultura.
O conhecimento da qualidade da água e o controle da alimentação são fatores de
extrema relevância na piscicultura e podem determinar o sucesso ou o fracasso de uma
criação.
2.1 - ALIMENTAÇÃO ANIMAL
A alimentação é a principal variável no sucesso de uma piscicultura.
Dependendo do sistema de cultivo, a contribuição do alimento natural pode ser
representativa ou não. Porém, pode também trazer doenças além de nem sempre
sabermos seu valor nutritivo e o quanto estes alimentos estão afetando os animais. A
alimentação artificial é a única opção para suprir todas as necessidades nutricionais da
espécie cultivada [2].
Os peixes são animais que não necessitam de calorias para manter sua
temperatura corporal, já que são pecilotérmicos (a temperatura corporal é controlada
pela temperatura da água), mas precisam de energia para realizar atividade muscular
(nadar), formar novos tecidos e outras reações necessárias à manutenção da vida e
reprodução [2].
Os peixes comem alimentos diferentes, dependendo da espécie que está sendo
cultivada. Porém, por serem pecilotérmicos, comem mais quando a temperatura
aumenta e algumas espécies praticamente não comem em temperaturas baixas. Uma
variação brusca de temperatura pode até matar (método utilizado no abate). Peixes em
geral não suportam, em curto espaço de tempo, mais que três ou quatro graus
centígrados de variação.
Sabe-se que uma boa ração deve conter proteínas (principal componente das
células e tecidos), lipídios (reserva de energia), aminoácidos (componentes das
3
proteínas), minerais (componentes das escamas, ossos e carne) e vitaminas
(responsáveis pelo metabolismo) [2].
É importante ter um plano alimentar que assegure o melhor desenvolvimento
possível dos indivíduos, com o menor custo. Não se pode esquecer de que um plano
equivocado pode contaminar o meio com excesso de ração. A quantidade de ração deve
respeitar a tabela 1 [3].
Tabela 1 – Relação alimentação e peso do peixe
Peso do peixe (g) Alimentação diária máxima (% do peso
vivo) - verão
50 10 a 20%
50 - 200 5%
200-800 4%
800-2000 2%
As rações podem ser produzidas e encontradas comercialmente nas formas
paletizadas (são aquelas que afundam) e extrusadas (são aquelas que flutuam). A
paletizada destina-se à alimentação de profundidade e a extrusada, à alimentação de
superfície, sendo esta última atualmente utilizada para medir a quantidade de ração a ser
fornecida, pois se pode observar visualmente quando os peixes param de se alimentar,
sendo esta uma forma de controle.
A deficiência alimentar provoca [3] :
- a produção de peixes de mesma idade, com tamanhos diversos;
- animais deformados;
- coloração anormal;
- olhos e pele sem brilho;
- baixa imunidade.
Atualmente, as formas de fornecimento de ração mais usadas são:
4
2.1.1 – COCHO SUBMERSO
Tratam-se de reservatórios, que juntamente com a ração são submersos e a
medida que a ração se dilui os animais se alimentam.
Permitem a dosagem exata de acordo com o consumo, mas, em contrapartida,
promovem a diluição dos nutrientes na água. Caso não seja consumida toda ração do
cocho ela contamina a água [3].
2.1.2 – BIOMASSA ESTOCADA
Método mais utilizado, trata-se do armazenamento da ração em locais isentos de
umidade e contaminação.
Basicamente consiste no lançamento manual da ração sobre o viveiro. A
quantidade é ajustada em função do peso médio dos peixes, medido por amostragem.
2.1.3 – ALIMENTADOR AUTOMÁTICO CONVENCIONAL
Este pode ser acionado por temporizador ou pelo próprio peixe. Nos
temporizados, a ração é liberada periodicamente em quantidades constantes. No outro, o
peixe é condicionado a acionar um dispositivo que libera a ração. As taxas e freqüência
de alimentação vão depender da temperatura da água, da espécie de peixe e outros
fatores. O ajuste do alimentador é feito manualmente.
Os alimentadores ditos “automáticos” que foram estudados provocam
condicionamento, pois são fixos e repetitivos, levando à desigualdade alimentar,
provocando assim stress e baixa produtividade [6].
2.2 - PEIXES ESTUDADOS
Existem muitas espécies de peixes que se adaptam facilmente ao cativeiro. É
importante que o animal, além de se adaptar, tenha facilidade de alimentar-se com ração
industrializada, sendo este tipo de ração o ideal para se utilizar em um sistema
automatizado porque permite padronização dos alimentadores.
5
2.2.1 - TILÁPIA DO NILO
Dentre as várias espécies de tilápias existentes, a mais utilizada para cultivo é a
Tilápia do Nilo (figura 1), por apresentar um melhor desempenho de rentabilidade,
principalmente no caso dos machos. É um peixe africano muito rústico e com uma carne
saborosa. Na natureza alimenta-se em primeiro lugar do plâncton e, em menor
proporção, de detritos orgânicos, conseguindo ter um bom aproveitamento quando
alimentado com rações industrializadas. Atinge cerca de 400 a 600 g entre seis e oito
meses de cultivo. É também utilizada como peixe forrageiro, servindo de alimento na
criação de peixes carnívoros. A maior restrição ao seu cultivo é a sua reprodução
precoce, a partir do quarto mês de idade, levando ao superpovoamento dos tanques. Mas
isso pode ser solucionado utilizando apenas alevinos machos, sexados manualmente ou
revertidos através de hormônios sexuais, que já são facilmente encontrados em vários
fornecedores de alevinos. Possui hábitos alimentares diurnos [4].
Figura 1 – Tilápia do Nilo
2.2.2 – PACU
Também conhecido como Pacu-Caranha ou apenas Caranha, é uma das espécies
nobres das bacias dos rios Paraná e Paraguai onde chega a atingir até 18 kg (figura 2).
Nos viveiros, pode ultrapassar 1,1 kg em um ano de cultivo e resiste bem a temperaturas
de até 12 graus por períodos não muito longos. É um peixe onívoro, alimentando-se
6
naturalmente de frutas, sementes, grãos, pequenos moluscos, crustáceos e insetos.
Aceita bem rações industrializadas. Quando jovem (alevino), ingere principalmente o
zooplâncton. Sua carne é muito saborosa, podendo apresentar acúmulo de gordura, se a
alimentação for muito rica em energia. Nos policultivos deve ser a espécie principal.
Quando é cultivado com carpas, costuma comer as nadadeiras das mesmas. É um peixe
de piracema, necessitando de técnicas de reprodução artificial para a obtenção de
alevinos. Pode ser cruzado com o Tambaqui, originando o Tambacu e o Paqui. Possui
hábitos alimentares diurnos e noturnos [4].
Figura 2 - Pacu
As duas espécies se adaptam ao cativeiro, possuem carne saborosa,
aproveitamento de carne e pele e aceitam ração industrializada. Optou-se pela Tilápia
do Nilo, por ter um ganho de massa excelente entre seis e oito meses de cultivo,
enquanto o Pacu necessita de no mínimo 12 meses, e também por ser um peixe de
hábitos alimentares diurno, facilita a automação diminuindo a quantidade de
acionamento dos alimentadores.
2.3 - TIPOS DE CRIADOUROS
Existem basicamente duas maneiras de se criar peixes: os sistemas de gaiolas e
os de tanques, ambos são descritos como segue [4].
7
2.3.1 – GAIOLA FLUTUANTE
Também chamado de tanque rede, visto na figura 3, trata-se de um sistema
construído de madeira ou tela galvanizada revestida de PVC, em estrutura rígida. Seu
tamanho tem normalmente 3 m x 2 m x 2 m (deve ter no mínimo 10 m3 de volume útil).
Figura 3 - Viveiro em tela para confinamento
Cada gaiola pode abrigar até 1000 indivíduos com peso médio de 0,65 kg cada
um. O tempo de criação esta entre seis e oito meses (Tilápia). Deve-se observar que este
sistema tem que ser implantado onde existe constante circulação d’água, pois somente
assim pode-se evitar a contaminação da água. A disposição dos tanques deve ser de
maneira transversal ao sentido de escoamento da água, evitando o transporte
25 cm
50cm
8
involuntário de substância contaminante de uma gaiola para outra. Como os tanques são
instalados diretamente nos rios, ficam sujeitos a enchentes e, pelo mesmo motivo, é
difícil o controle da qualidade da água [4].
2.3.1 – VIVEIRO OU TANQUE
São escavados no chão, figura 4, tornando-se reservatórios de médio ou grande
porte com renovação constante de água, permitindo o cultivo de peixes em grandes
densidades de estocagem. Deve ser construído, de maneira a poder ser preenchido e
esvaziado facilmente. A forma retangular é a mais indicada e deve ter, no mínimo 10 m
x 15 m com profundidade máxima de 1m útil [4].
Figura 4 – Vista em corte de um tanque para piscicultura
Escolheu-se automatizar o criadouro tipo tanque por ser mais utilizado, ter baixo
custo de manutenção, ser ecologicamente mais indicado e, principalmente, por possuir
uma densidade de peixes menor do que na gaiola, provocando menos stress nos animais
e menos contaminação da água. Além disso, é um sistema que depende de troca
mínima de água e permite implantar vários tanques em uma única localidade. No Brasil,
os dois tipos de criadouros podem ser implantados com sucesso, porém os tanques são
os mais indicados já que nossa geografia é favorável e apresenta grande número de
pequenos rios e córregos.
Tubo alimentador Tubo de drenagem
9
3 – ALIMENTADORES
Pesquisou-se os seguintes tipos de alimentadores ditos automáticos [5]:
- alimentadores automáticos temporizados nos quais o alimento é liberado em
intervalos regulares;
- alimentadores automáticos lançadores em que o alimento é lançado à distância
também em intervalos regulares;
- alimentador automático de esteira, em que o alimento é transportado em
intervalos regulares por meio de esteira; e
- alimentador semi-automático, no qual o animal é condicionado a acionar um
dispositivo que libera o alimento.
Em todos os tipos de alimentadores, o alimento ou é liberado em tempos
regulares ou isso é feito pelo próprio animal. Em qualquer dos casos, provoca-se um
condicionamento, levando o peixe a comer além do necessário e a um stress provocado
pela ansiedade da espera de alimento. Nota-se também que o controle sobre a
quantidade de alimento fornecido só depende do tempo em que o alimentador fica
ativado. Nesse trabalho, considerou-se que o alimentador deve ser simples (fácil
manutenção), de baixos ruído e custo, de alta confiabilidade, resistência ao meio de
trabalho e, finalmente, liberar uma quantidade de alimento controlável [6].
3.1 – ALIMENTADORES DESENVOLVIDOS
Procurou-se desenvolver um alimentador feito de material plástico,
proporcionando o menor custo possível, bem como resistência à corrosão. Deve,
também, ter baixo nível de ruído pois o som propaga-se muito bem em ambientes mais
densos e o ruído provocado por um alimentador pode condicionar o peixe.
Os alimentadores apresentados a seguir foram desenvolvidos e testados.
3.1.1 – ALIMENTADOR MODELO 1
Esse modelo é constituído por um reservatório, um moto-redutor e um sistema
de rosca sem-fim, como ilustrado na figura 5.
10
Figura 5 – Alimentador acionado por moto-redutor
Esse alimentador tem a vantagem de permitir o controle do volume de ração a
ser fornecida simplesmente pelo tempo que o alimentador ficará acionado, por outro
lado, trata-se de um alimentador de custo elevado e quando utilizado em ambiente
agressivo, de baixa confiabilidade.
3.1.2 – ALIMENTADOR MODELO 2
Nesse modelo ilustrado na figura 6, o giro passo a passo é obtido pelo
acionamento de uma solenóide acoplada a um dispositivo que gira uma engrenagem.
Figura 6 - Alimentador acionado por solenóide
Esse alimentador tem a vantagem de utilizar somente um solenóide. Sua
principal desvantagem está no controle da quantidade de ração a ser liberada, que neste
caso deverá ser feita pelo número de pulsos aplicados o solenóide. O solenóide possui
um alto nível de ruído comprometendo a aleatoriedade e imprevisibilidade dos
acionamentos.
motor
redutor reservatório
Rosca sem-fim
Acionamento por moto redutor
Vista Lateral do dispositivo e
solenóide
11
3.1.2 – ALIMENTADOR MODELO 3
Neste sistema a ração é liberada pelo acionamento seqüencial através de
solenóides acoplados às paletas, sendo uma delas responsável pela liberação e a outra
pela carga conforme ilustrado na figura 7 [6].
Figura 7 - Alimentador acionado por paleta
Esse alimentador tem a vantagem de ser simples e de permitir o controle da
ração pelo espaço entre as paletas. Sua desvantagem está em necessitar de dois
solenóides e risco de haver travamentos das paletas.
3.2 – ALIMENTADOR PROPOSTO
Levando-se em conta as necessidades estruturais e funcionais do alimentador, e
em função das limitações apresentadas no item 3.1, implementou-se um alimentador
com as seguintes características:
1 - Confeccionado em PVC, proporcionando o menor nível de ruído possível,
bem como resistência à corrosão. O PVC, além de facilmente encontrado, é resistente a
ambientes agressivos e úmidos;
Todos os tubos são de PVC linha branca (esgotos). Conexões e tubos facilmente
encontrados em lojas de material para construções, o que torna a estrutura de baixo
custo;
Paletas
12
2 - Solenóide de movimento angular, feita com núcleo ferromagnético na forma
de cruzeta, protegido contra umidade e de baixo consumo de corrente. Cujos detalhes
construtivos podem ser vistos na figura 9 e 10.
O alimentador está ilustrado na figura 8, em (A) tem-se a vista lateral, todo
conjunto é rígido fixado com solda plástica ou parafusos galvanizados, o solenóide fica
acondicionada e lacrada na parte traseira evitando a penetração de água. A alimentação
de energia é feita somente por dois fios, permitindo um certo nível de liberdade ao
alimentador quando boiando no reservatório.
(A)
(B)
Figura 8 - Vistas (A) lateral e (B) frontal do alimentador
Rosca sem-fim
Reservatório de ração
Solenóide
Tanques de ar
Tubo PVC
Tanques de ar
Saída de ração
13
Optou-se pelo acoplamento de tanques de ar a fim de permitir a flutuação direta
do alimentador, provocando, desta maneira, um deslocamento aleatório natural, causado
por ventos, podendo ser içado quando houver necessidade de abastecimento. A
recomendação é limitar com cordas a área de deslocamento, para não prejudicar a
aleatoriedade.
3.2.1 – DETALHES CONSTRUTIVOS
O alimentador é basicamente dividido em duas partes: a solenóide de
movimento angular e o sistema de rosca sem-fim.
3.2.1.1 – SOLENÓIDE DE MOVIMENTO ANGULAR
Um ímã permanente anelar juntamente com núcleo fixo e suas bobinas formam
um solenóide de movimento angular. Porém, neste caso, o núcleo é formado por quatro
bobinas que, quando energizadas, criam um campo magnético cuja polaridade respeita a
regra da mão direita e vai depender do sentido da corrente. O núcleo é fixo, permitindo
a rotação do imã que está acoplado ao sistema de rosca sem-fim. As figuras 10 e 11
ilustram as forças que envolvem o acionador. O conjunto comporta-se como um
solenóde, onde cada passo corresponde a 90 o e é conseguido quando inverte-se o
sentido da corrente elétrica .
A figura 9 ilustra a parte interna do moto acionador.
Figura 9 – Solenóide de movimento angular
ímã permanente, toroidal
Bobina
Núcleo fixo
14
Figura 10 – Detalhe das forças resultantes
O núcleo é construído de maneira a formar um ângulo φ constante com o campo
magnético do toróide. Desta maneira, aplicando-se um pulso DC na entrada do
acionador, este terá seu movimento rotacional obrigatoriamente sempre no mesmo
sentido. O torque será proporcional à distância do entreferro e à quantidade de energia
entregue à bobina. Como este é um sistema simples, a distância do entreferro não pode
ser muito pequena, por isso o deslocamento do imã será controlado pelo tempo de pulso
e quantidade de energia entregue.
Nesse projeto, as bobinas são alimentadas por uma tensão DC, fornecida por um
retificador controlado monofásico de meio ciclo. O sinal retificado é obtido diretamente
da rede elétrica fornecendo 127 Vrms e portanto, um sinal de meio ciclo com pico de
tensão de aproximadamente Vp = 180 V, como demonstram os cálculos.
S
S
N
N
N
Toróide de imã permanente
φ = deslocamento angular
Núcleo fixo
Bobinas
φ
F
F
F
F
15
A figura 11 mostra o circuito de acionamento de cada alimentador, o retificador
controlado é o responsável pela inversão no sentido da corrente através do solenóide do
moto acionador, sendo que a cada acionamento tem-se um giro de 90o.
Figura 11 – Circuito de acionamento
A alimentação de 127 Vrms mantém reduzidas as perdas de energia devido à
distância entre controle e carga. Como o chaveamento será através de SCR, este entrará
em bloqueio toda vez que o sinal permanecer em zero; sendo assim, o controle de
energia entregue à carga dependerá do sincronismo e tempo de duração do pulso de gate
ou porta.
A resistência medida entre os terminais do alimentador foi de 176 Ω, logo o
valor de pico da corrente será dada por:
I Máximo = Vp/176 = 1,02 A (1)
3.2.1.2 – ROSCA SEM-FIM
O corpo do alimentador onde está acondicionada a rosca sem-fim, bem como
praticamente todos os tubos utilizados são de quatro polegadas. Considerando que cada
127 V
Bobinas
SCR’s
16
passo do motor corresponde a 90o ou 1/4 de volta e que a rosca possui um passo de 5,5
cm com 3,5 cm de largura, podemos calcular a quantidade de alimento lançada por
acionamento, a figura 12 ilustra as medidas da rosca sem fim.
O movimento circular do conjunto descreve uma casca cilíndrica cujo volume
pode ser calculado pela formula:
V =( π/4) . h . (D2 – d2 ) (2)
Onde:
D = diâmetro externo = 10 cm
d = diâmetro interno = 2 cm
h = passo de rosca = 5,5 cm
Assim, para uma volta completa o volume será:
V = 414,69 cm3
Para passo ou acionamento (1/4 de volta) o volune será:
V = 103,67 cm3
Portanto, pode-se considerar que para cada acionamento do alimentador este vai
liberar 103 cm3 de ração, representando 67 g de ração paletizada e 40 g de ração
extrusada.
Desta maneira, definiu-se o alimentador e montou-se seu protótipo. Testes
elaborados mostraram que seu funcionamento foi estável mesmo em condições
agressivas de meio ambiente. Neste trabalho adotou-se a ração extrusada para o
dimensionamento.
Figura 12 – Dimensões da rosca sem-fim
h
d D
17
4 – DIMENSIONAMENTO DA CARGA DOS ALIMENTADORES
Os alimentadores devem possuir uma carga suficiente para, no mínimo, dois dias
de autonomia. A aleatoriedade, fator principal do sistema, deverá atender às
necessidades de não-condicionamento dos animais ao mesmo tempo em que os alimenta
suficientemente.
4.1– DIMENSIONAMENTO DOS ALIMENTADORES
No capítulo anterior, foi dimensionada a rosca sem-fim e calculado o quanto de
ração cada acionamento do alimentador fornece. Faz-se necessário ainda o
dimensionamento da carga individual de cada alimentador, levando em consideração a
validade da ração que, conforme especificações, deve ser consumida em até três
semanas [7].
O sistema eletrônico possui 8 saídas de acionamento (número de bits de cada
porta do microcontrolador) o que permite oito grupos de acionamento e cada grupo
pode ter quantos alimentadores for necessário, ficando limitado ao dimensionamento da
interface de potência ligada entre o microcontrolador e os alimentadores. Sendo assim,
quando se fizer necessário um número maior do que oito alimentadores, estes devem
estar divididos em até oito grupos, sendo que os de um mesmo grupo não devem estar
instalados próximos uns dos outros. A aleatoriedade é virtual de tal maneira que todos
os alimentadores são acionados o mesmo número de vezes por período. Desta forma,
além de todos os peixes receberem a mesma quantidade de alimento, o abastecimento
dos alimentadores será simultâneo.
A taxa de alimentação diária dos peixes, tabela 1, (% da massa) é definida em
função da temperatura da água, da espécie, do tamanho dos peixes e do tipo de ração
utilizada. Também a freqüência do arraçoamento (ato de alimentar) varia em função do
tamanho e estágio de desenvolvimento dos peixes [3]. O que será definido pelo
controlador.
A quantidade de alimento fornecido é proporcional ao número de acionamentos
de cada alimentador, fator este controlado pelo microcontrolador que, através de
software, considera as variáveis citadas. Como os peixes se alimentam mais no verão do
18
que no inverno, ou em função da temperatura da água, a tabela levará em consideração
as estações do ano.
Na fase de engorda, quando o peixe possui entre 50 e 200 g, tabela 1, deve
receber 90% de sua necessidade diária de ração, o que no verão pode chegar a 5%.
Como esses valores estão diretamente ligados à temperatura da água e em nosso país
este fator varia muito de região para região, considerou-se uma média de 3% para fins
de dimensionamento [8].
Os alimentadores devem conter depósitos de ração com quantidade mínima para
dois dias, na fase final de engorda, para que a função de aleatoriedade no acionamento
dos alimentadores possa ser usada.
O tempo de engorda está entre seis e oito meses, alcançando um peso de 600 a
650 g/peixe. Uma variação de peso (P) neste período pode ser considerada linear, sendo
que a discretização para cada sete dias (uma semana) é considerada satisfatória.
Por exemplo em 8 meses que representam 32 senanas, a variação de massa
seria dada por:
∆P = ( Pmáx – Pmín)/32 (3)
Na qual:
Pmáx = peso máximo.
Pmín = peso mínimo.
Figura 13 - Característica peso x semana de engorda
Tomando como exemplo a Tilápia do Nilo, que atinge cerca 600 gramas em 8
meses de cultivo, e com base na formulação da ração para essa espécie, que deve ter de
28 a 40% de proteína, substância responsável pela formação óssea e de tecidos e ainda
tomando como base a tabela 1 e equação 3, tem-se o seguinte cálculo:
V = ( 650 – 50 ) / 32 = 600/32 = 18,75 g/semana (4)
g/semana
Pmín
Pmáx
semana 1 32
19
Pela tabela 1, ao se iniciar com 50 g (alevino), o peixe vai adquirir 550 gramas
em 8 meses. Como a conversão é proporcional à alimentação e considerando que a
criação se dará nos 8 meses mais quentes do ano, a porcentagem de ração a ser
fornecida pode ser considerada de 3% para todo período. Pode-se então montar a tabela
2.
Tabela 2 – Demonstração do ganho de massa viva em função da alimentação por peixe
Sem.
Massa
inicial
(g)
Consumo
Ração (g)
Semana
(21%)
Massa
Adquirida
na semana
(40% Prot.)
Massa
Final
Semana
(g)
Ração
Consumida
(g)
01 50,00 10,50 4,20 54,20 10,50 02 54,20 11,38 4,55 58,75 21,88 03 58,75 12,34 4,94 63,69 34,22 04 63,69 13,37 5,35 69,04 47,59 05 69,04 14,50 5,80 74,84 62,09 06 74,84 15,72 6,29 81,12 77,81 07 81,12 17,04 6,81 87,94 94,85 08 87,94 18,47 7,39 95,32 113,32 09 95,32 20,02 8,01 103,33 133,34 10 103,33 21,70 8,68 112,01 155,04 11 112,01 23,52 9,41 121,42 178,56 12 121,42 25,50 10,20 131,62 204,06 13 131,62 27,64 11,06 142,68 231,70 14 142,68 29,96 11,98 154,66 261,66 15 154,66 32,48 12,99 167,65 294,14 16 167,65 35,21 14,08 181,73 329,35 17 181,73 38,16 15,27 197,00 367,51 18 197,00 41,37 16,55 213,55 408,88 19 213,55 44,85 17,94 231,49 453,73 20 231,49 48,61 19,44 250,93 502,34 21 250,93 52,70 21,08 272,01 555,04 22 272,01 57,12 22,85 294,86 612,16 23 294,86 61,92 24,77 319,63 674,08 24 319,63 67,12 26,85 346,48 741,20 25 346,48 72,76 29,10 375,58 813,96 26 375,58 78,87 31,55 407,13 892,83 27 407,13 85,50 34,20 441,33 978,33 28 441,33 92,68 37,07 478,40 1071,01 29 478,40 100,46 40,19 518,58 1171,47 30 518,58 108,90 43,56 562,15 1280,37 31 562,15 118,05 47,22 609,37 1398,87 32 609,37 127,97 51,19 660,55 1526,84
20
Pela tabela 2, pode-se concluir que em 32 semanas o peixe consumiu
aproximadamente 1,53 kg de ração para atingir 660 g de massa.
Aplicando o princípio da progressão geométrica, pode-se calcular a ração que
será consumida por peixe [9].
A proporção de crescimento (Pc) pode ser dada por:
Pc= (Porcentagem de alimentação x porcentagem de proteína na ração) + 1 (5)
Na qual:
Pc= ( 0,21 x 0,40 ) + 1
Pc = 1,084
A massa prevista do peixe em uma determinada semana (Ms) é dada por:
Ms = Min x 1,084(S-1) (6)
Na qual:
Min = Massa inicial do peixe
S = Semana
Ms = Massa do peixe na semana S
Na prática, encontram-se reservatórios artificiais onde a densidade é a de um
peixe por metro quadrado, por isso, para um reservatório padrão de 30m largura por
60m comprimento, adotou-se 16 alimentadores divididos em 8 grupos de 2, e tem-se
aproximadamente 1800 peixes que, inicialmente, estão com uma massa viva total de 90
Kg (1800 x 0,05 kg). Após oito meses de cultivo, tem-se um ganho de 990 kg, no
mínimo, o peso final (Pfinal) será:
Pfinal = 0,600 x 1800
Pfinal = 1080 kg
Tomando como base a tabela 2, pode-se calcular a quantidade de ração
consumida que é de 1,53 Kg por peixe em 32 semanas ou 47,81 gramas por semana ou,
ainda, 6,83 g por dia. Para um cultivo de 1800 peixes, tem-se um consumo de 12,375 kg
de ração por dia: essa é a média dos oito meses. O maior cuidado está na última
semana: considerando a tabela 2, cada peixe consome 127,97 g de ração por semana ou
18,28 g dia. Para um cultivo de 1800 animais, tem-se um consumo de aproximadamente
32,91 kg/dia. Como temos 16 alimentadores que devem possuir um refil para no
mínimo dois dias, cada um deles deverá ter um reservatório de 4,11 kg ou aproximando-
21
se 5 kg. Conclui-se que cada alimentador deverá ter uma capacidade mínima de 5 kg de
ração.
22
5 – ALEATORIEDADE
O sistema possui oito portas de saída, a aleatoriedade está na seqüência que
essas portas serão acionadas, pois deve-se ter um acionamento tal que o peixe não possa
prever qual ou quais alimentadores serão acionados.
O período de criação previsto neste trabalho é de oito meses e discretizou-se a
quantidade de ração em períodos semanais num total de 32 semanas. O menor número
de acionamento se dará na primeira semana e conseqüentemente esse número vai
crescendo à medida em que se avança nas semanas, desta maneira tem-se uma
aleatoriedade na seqüência de acionamento e também uma variação dos intervalos de
acionamento.
A aleatoriedade é virtual, de tal forma que um grupo nunca é acionado mais
vezes que outro, permitindo que os reservatórios de ração sejam iguais e periodicamente
abastecidos [6].
Os alimentadores estão dimensionados para conter depósitos de ração com
quantidade mínima para dois dias na fase final de engorda, para que a função de
aleatoriedade no acionamento dos alimentadores possa ser usada.
5.1 – LOCALIZAÇÃO DOS ALIMENTADORES
A figura 14 mostra um exemplo da distribuição dos alimentadores em um
reservatório de 30 m de largura por 60 m comprimento. Essa disposição deve ser
seguida, dentro do possível, com fidelidade, porém outras combinações podem ser
usadas. Deve-se lembrar que os alimentadores flutuam e, portanto, tem-se que limitar
seus movimentos dentro das medidas indicadas. Esses movimentos são menores que a
distancia entre alimentadores e contribuem para o efeito de aleatoriedade,
Tem-se, assim, 16 alimentadores divididos em 8 grupos de dois alimentadores
cada. Deve-se lembrar que sempre ativam dois alimentadores de cada vez, de um
mesmo grupo e que devem estar o mais distante possível um do outro. Todos os
alimentadores devem ter o mesmo número de acionamento por período, assim todos os
alimentadores se esgotam ao mesmo tempo, fornecendo a mesma quantidade de ração,
e períodos iguais de abastecimentos.
23
A figura 14 ilustra a maneira que pode-se instalar os alimentadores em um
reservatório de 60m de comprimento por 30 de largura, os grupos estão colocados em
simetria no reservatório, de maneira que alimentadores do mesmo grupos estejam
colocados o mais distante possível um do outro.
Figura 14 - Distribuição dos alimentadores
5.2 – TABELA DE ALEATORIEDADE
Optou-se por uma forma simplificada de aleatoriedade, segundo a qual cada
acionamento ativa um grupo, o que equivale a dois alimentadores, assim o alimento é
bem distribuído em todas as partes do reservatório, de forma a impedir que os peixes
fiquem concentrados sempre em um mesmo lugar. A dispersão dos animais no tanque
favorece o equilíbrio ambiental e a qualidade da água. A tabela 3 mostra a aleatoriedade
adotada. Nesse trabalho adotaram-se quatro seqüências diferentes de acionamento de
maneira que todos os grupos sejam sempre acionados, a aleatoriedade é suficiente e
impede que o animal saiba qual alimentador será acionado.
4
8
1
2 3 1
2 3
4
6 7
5
6 7
8
30m
5m
60m
10m
5m
7m
5
Grupo2
24
Tabela 3 – Tabela de aleatoriedade.
Seqüência Alimentadores 1 2 3 4 5 6 7 8
Seqüência 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 1 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1 5 0 0 0 0 1 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1 0 0
Seqüência 2 3 0 0 1 0 0 0 0 0 2 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 1 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1
Seqüência 3 2 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1 3 0 0 1 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1 0 0 7 0 0 0 0 0 0 1 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0
Seqüência 4 7 0 0 0 0 0 0 1 0 5 0 0 0 0 1 0 0 0 4 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 1 0 0 8 0 0 0 0 0 0 0 1 2 0 1 0 0 0 0 0 0
25
A tabela 3 de aleatoriedade será sempre a mesma, a variável do sistema é o
número e seqüência de acionamentos durante um período e ou uma semana.
5.3 – NÚMERO DE ACIONAMENTOS
Na primeira semana o consumo de ração é de 10,50 g (tabela 2) por peixe ou
18.900 g para os 1800 peixes, ou, ainda, 2700 g por dia. Como o tanque possui 16
alimentadores, cada um deve fornecer 168,75 g por dia. Para a ração extrusada, sabe-se
que cada alimentador fornece 40 g por acionamento e, portanto, deverá ser acionado no
mínimo 4 vezes por dia. Já na última semana, o consumo é de 127,97 g por peixe ou
230,35 kg para o tanque, 32,91 kg por dia, 2,06 por alimentador e, finalmente, 52
acionamentos por dia. Considerando ainda que a Tilápia não possui hábitos alimentares
noturnos, tem-se um período de alimentação que vai de 6 horas às 19 horas ou um
período de 13 horas.
O gráfico da figura 15 apresenta a biomassa adquirida e a ração consumida em
função da semana.
Figura 15 - Gráfico da biomassa adquirida e consumo de ração
700 600 500 400 300 200 100
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31
Semanas
Massa viva
Ração
g
26
Pode-se notar que a massa adquirida aumenta enquanto a quantidade de ração
aumenta linearmente, dentro da faixa de 0 a 100 g. Quando ultrapassa este valor, o
consumo de ração deixa de aumentar linearmente. Quando o peixe está com
aproximadamente 500 g, e deste ponto em diante, a relação ganho de massa e consumo
de ração deixa de ser economicamente viável e esta é a melhor fase de corte, figura 16.
É quando a Tilápia está com 600 gramas, pois deste ponto para frente o consumo de
ração aumenta sem igual ganho de massa viva [7].
Figura 16 – Relação de lucratividade e crescimento
Como o fator temperatura influencia diretamente na quantidade de ração a ser
fornecida (tabela 4), este projeto levou em consideração a proporção descrita na tabela 2
para efetuar o controle, onde se tem a proporção da quantidade calculada de ração que
deve ser fornecida, em função do massa do animal.
Região não comercial
Lucratividade
Crescimento
Crescim
ento/lucratividade
Massa viva ideal
Região comercial
27
Existem seis possíveis condições de alimentação. A monitoração da temperatura
poderá ser por um processo manual e a proporção será estipulada por meio de digitação
no painel de controle, nada impedindo de se colocar um sensor de temperatura que
possa automaticamente informar a proporção necessária.
Tabela 4 – Influência da temperatura.
Temperatura ( oC ) Proporção Fator (FT)
≤ 16 1 % FT1
> 16 e ≤ 19 60% FT2
> 19 e ≤ 23 80% FT3
> 23 e ≤ 29 100% FT4
> 29 e ≤ 33 80% FT5
> 33 Não alimente FT6
Tem-se agora o tipo de peixe escolhido, o tamanho e a densidade de peixes no
tanque, o número de alimentadores, o consumo semanal de ração, a quantidade de ração
que é fornecida por acionamento de cada alimentador e a proporção de alimento em
função da temperatura.
Sabendo-se que a massa prevista semanal (Ms) é dada pela equação 6:
A quantidade de ração que deverá ser fornecida (Rs) é dada por:
Rs = Ms x 0,21 x FT (21 = 3% x 7 dias) (7)
Na qual FT é igual a 1.
Aplicando a equação 7 para o tanque usado como exemplo com 1800 peixes e
sabendo-se que cada acionamento fornece 80 g de ração extrusada, pode-se calcular o
número de acionamentos por dia.
Rs = Ms x 0,21 x FT x 1800 (8)
O consumo diário de ração ( Rd) será de:
Rd = ( Ms x 0,21 x FT x 1800 ) / 7 (9)
28
Como cada acionamento fornece 80 g, o número de acionamentos (Na) durante
uma determinada semana é dado por:
Na = Rd/80 (10)
Como a Tilápia não possui hábitos alimentares noturnos e considerando o
período das 6 às 19 horas ou um intervalo de 13 horas, pode-se obter o intervalo entre os
acionamentos.
Exemplo:
Na 25a semana de criação tem-se:
Ms = Min x 1,084(S-1)
Ms = 50 x 1,084( 25-1)
Ms = 346,48 g ( massa prevista na 25 a semana)
Para uma temperatura de 25 0C FT = 1 o consumo diário será de:
Rd = ( Ms x 0,21 x FT x 1800 ) / 7
Rd = ( 346,48 x 0,21 x 1 x 1800) / 7
Rd = 130969,44 / 7
Rd = 18.709,92 g (consumo diário de ração para 1800 animais)
O número de acionamentos diários é de:
Na = 18709,92 /80
Na = 233,87 (número de acionamentos para fornecer 18709,92 g de ração)
Como o tangue possui 16 alimentadores divididos em 8 grupos.
Na = 2923 (acionamentos por período para cada grupo de alimentadores)
Para um período de 13 horas, tem-se um intervalo de 26,68 minutos entre cada
acionamento. Aplicando-se as equações obteve-se a tabela 5, fixando o número de
acionamentos por dia, por alimentador.
29
Tabela 5 – Número de acionamentos por alimentador
Sem.
Massa
inicial
(g)
Ração (g)
(21%)
Ração total
por semana
(g)
Ração total
por dia
(g)
Ração por
alimentador
(g)
Nº
Acionamentos/
grupo/dia
01 50,00 10,50 18900 2700,00 168,75 4,20 4
02 54,20 11,38 20484 2926,28 182,89 4,57 5
03 58,75 12,34 22212 3173,14 198,32 4,96 5
04 63,69 13,37 24066 3438,00 214,87 5,37 5
05 69,04 14,50 26100 3728,57 233,03 5,82 6
06 74,84 15,72 28296 4042,28 252,64 6,32 6
07 81,12 17,04 30672 4381,71 273,86 6,85 7
08 87,94 18,47 33246 4749,43 296,84 7,42 7
09 95,32 20,02 36036 5148,00 321,75 8,04 8
10 103,33 21,70 39060 5580,00 348,75 8,72 9
11 112,01 23,52 42336 6048,00 378,00 9,45 9
12 121,42 25,50 45900 6700,00 418,75 10,47 10
13 131,62 27,64 49752 7107,43 444,21 11,10 11
14 142,68 29,96 53928 7704,00 481,50 12,04 12
15 154,66 32,48 58464 8352,00 522,00 13,05 13
16 167,65 35,21 63378 9054,00 565,87 14,14 14
17 181,73 38,16 68688 9812,57 613,28 15,33 15
18 197,00 41,37 74466 10638,00 664,87 16,62 17
19 213,55 44,85 80730 11532,86 720,80 18,02 18
20 231,49 48,61 87498 12499,71 781,23 19,53 20
21 250,93 52,70 94860 13551,43 846,96 21,17 21
22 272,01 57,12 102816 14688,00 918,00 22,95 23
23 294,86 61,92 111456 15922,28 995,14 24,88 25
24 319,63 67,12 120816 17259,43 1078,71 26,97 27
25 346,48 72,76 130968 18709,71 1169,36 29,23 30
26 375,58 78,87 141966 20280,86 1267,55 31,69 32
27 407,13 85,50 153900 21985,71 1374,11 34,35 35
28 441,33 92,68 166824 23832,00 1489,50 37,24 38
29 478,40 100,46 180828 25832,57 1614,53 40,36 41
30 518,58 108,90 196020 28002,86 1750,17 43,75 44
31 562,15 118,05 212490 30355,71 1897,23 47,43 48
32 609,37 127,97 230346 32906,57 2056,66 51,42 52
30
A tabela 5 considera que a temperatura durante todo o período de criação está
entre 23 e 29 oC o que corresponde ao fornecimento de 100% da quantidade calculada.
Dependendo da temperatura, pode-se diminuir a quantidade de acionamentos; em casos
extremos, pode-se eliminar a alimentação.
Tabela 6 – Intervalo entre acionamentos.
Sem. Acionamentos Intervalos 01 4,20 4 32 24,37 02 4,57 5 40 19,50 03 4,96 5 40 19,50 04 5,37 5 40 19,50 05 5,82 6 48 16,25 06 6,32 6 48 16,25 07 6,85 7 56 13,92 08 7,42 7 56 13,92 09 8,04 8 64 12,19 10 8,72 9 72 10,83 11 9,45 9 72 10,83 12 10,47 10 80 9,75 13 11,10 11 88 8,86 14 12,04 12 96 8,12 15 13,05 13 104 7,50 16 14,14 14 112 6,96 17 15,33 15 120 6,50 18 16,62 17 136 5,73 19 18,02 18 144 5,42 20 19,53 20 160 4,87 21 21,17 21 168 4,64 22 22,95 23 184 4,24 23 24,88 25 200 3,90 24 26,97 27 216 3,61 25 29,23 30 240 3,25 26 31,69 32 256 3,04 27 34,35 35 280 2,79 28 37,24 38 304 2,56 29 40,36 41 328 2,38 30 43,75 44 352 2,22 31 47,43 48 384 2,03 32 51,42 52 416 1,87
A tabela 6 fornece para cada período o número de acionamentos e os intervalos
de tempo entre eles. Resume toda a atividade do microcontrolador durante as 32
semanas de cultivo. Ela será armazenada na memória e servirá de banco de dados
habilitando as portas de saída do microcontrolador e, em função da semana, tem-se um
31
número de acionamentos em intervalos que, no final do período, provocará o
fornecimento de ração suficiente e proporcional à idade dos peixes.
O controle de ração em função da temperatura se dará pelo aumento do intervalo
entre os acionamentos. Por exemplo, no inverno, se a temperatura da água estiver entre
16 e 19 oC o fator de aumento no intervalo de tempo será de 60%, conforme tabela 5.
A figura 17 representa os pulsos de acionamento que para a primeira semana, t1
vale 24,37 minutos e para a última semana 1,87 minutos, estes intervalos são
controlados pelo microcontrolador, t2 é o tempo entre pulsos e t3 o tempo que o
alimentador ficará acionado. O sinal é ainda formado por dois pulsos o primeiro (A)
aciona o alimentador e o segundo (R) coloca o sistema em repouso, detalhes podem ser
vistos no capítulo 6.
Figura 17 – Pulsos de acionamento
t1
t2
t1
t3
A R
32
6 – CONTROLADOR MICROPROCESSADO
O sistema está dividido basicamente em quatro partes: a primeira é o módulo
alimentador visto no capítulo 4, a segunda são as interfaces de potência responsáveis
pelo envio e acoplamento dos sinais de comando do microcontrolador para os
alimentadores, a terceira é o microcontrolador que acionará de modo aleatório e em
quantidades adequadas os alimentadores e quarta a interface homem-máquina composta
de um teclado para entrada de dados como data e quantidade de peixes e um display que
constantemente informará o alimentador que será acionado e a data atual. O diagrama
do sistema está apresentado na figura 18 [10].
Figura 18 – Diagrama de Blocos.
6.1 – MICROCONTROLADOR
Para que o sistema possa gerenciar o acionamento dos alimentadores,
respeitando os fatores de quantidade de alimento e aleatoriedade, é necessário a
ALIMENTADORES INTERFACE
MICROCONTROLADOR
TECLADO E DISPLAY
88888888
33
implementação de um circuito microprocessado. Optou-se pelo uso do microcontrolador
8051. Suas principais características são o baixo custo e a baixa necessidade de
componentes adicionais para o funcionamento. Suas especificações podem ser vistas na
figura 19 e tabela 7 [10] [11].
Figura 19 – Pinagem do 8051
Tabela 7 – Especificações técnicas do 8051
Características.
1 clock típico de 12 MHz, podendo chegar a 30 MHz;
2 1 ciclo de máquina é composto de 12 estados (clocks);
3 memória de programa (ROM) de 4k (internos), expansíveis a 64k (60k externos);
4 memória de dados (RAM) de 128 bytes (internos), expansível a 64k (demais bytes externos);
5 4 portas de E/S de 8 bits formando 32 linhas;
6 pinos para controle de memórias externas;
7 Estrutura de interrupções com até 5 entradas permitindo 2 níveis de prioridade;
8 2 temporizadores/contadores de 16 bits programáveis;
9 conjunto de 111 instruções;
10 opção de baixo consumo.
Na figura 20, tem-se o diagrama em blocos resumido dos dispositivos internos
do microcontrolador 8051, onde pode-se observar sua arquitetura, entradas e saídas[12].
34
Figura 20 – Diagrama em blocos do 8051
As principais características que levaram a escolha desse microcontrolador são
descritas a seguir:
Um ciclo de máquina corresponde a 12 ciclos do sinal de clock, assim sendo o
uso de um cristal de 12 MHz permite uma base de tempo de 1µs, sendo suficiente à
precisão necessária ao sistema, visto que tem-se 32 semanas por período de criação e os
Portas E/S
P0 P1 P2 P3
U.C.P Unidade Central de Processamento
OSCILADOR
C C
XTAL
Porta Serial
RXD TXD
Controle de interrupções
INT0 INT1
TIMER
T0 T1
ROM RAM
Periféricos
35
alimentadores devem ser acionados por períodos pré estabelecidos e variáveis em
função da semana.
As quatro portas de oito bits cada denominadas P0, P1, P2 e P3 são
suficientes para o controle de todos os periféricos sendo que P2 aciona os
alimentadores, P1 a entrada de dados através de teclado, P0 ao acionamento do display e
P3 se destina ao controle de display e funções especiais.
Possui cinco tipos de interrupções, todas podem ser habilitadas e
configuradas através de software, sendo uma pela comunicação serial, duas pelos pinos
P3.2 (int0) e P3.3 (int1) chamadas de interrupções externas e duas internas provocadas
pelos temporizadores T0 e T1. Nesse trabalho os temporizadores que no 8051 podem
ser configurados para 16 bits, permitem contagem de tempo sem perdas de tempo já que
seu funcionamento é independente.
Usa dois registradores de oito bits para controlar os contadores. TCON
(Controle de temporizadores) que vai indicar o estouro de contagem e ligar o contador e
TMOD ( Modo de contagem) que vai configurar como os contadores / temporizadores
vão funcionar, a figura 21 e 22 apresentam estas palavras [13].
TCON
T
F1
T
R1
T
F0
T
R0
- - - -
Liga temporizadores = TRn
Indica estouro contagem = TFn
Usados para Interrupções externas
Figura 21 – Registrador TCON
TMOD
G
ATE-1
C/
T-1
M
1-1
M
0-1
G
ATE-0
C/
T-0
M
1-0
M
0-0
Controle do contador 1 Controle do contador 0
Figura 22 – Registrador TMOD
36
Os dois contadores/temporizadores são controlados pelos valores que
assumem cada um dos bits de controle. Usa-se gate 1 gate 0 igual 1 para definir os que
os dois vão ser habilitados, os bits C/T 0 e C/T 1 determinam quando em 1 a função
contador e quando em 0 função temporizador.
M1-n M0-n, definem o modo de operação do temporizador/contador n
- 00 = modo 0 : Contador ou temporizador 8 bits com divisor de frequencia
- 01 = modo 1 : Contador ou temporizador de 16 bits.
- 10 = modo 2 : Contador ou temporizador de 8 bits com recarga automática.
- 11 = modo 3 : Contador de eventos 8 bits e um temporizador 8 bits.
Como já foi mencionado optou-se pela configuração modo 1 de 16 bits
permitindo que ao ligar o temporizador (TRn=1) este conte até 65.535 provocando um
setamento em TFn. Como cada ciclo de máquina dura 1µs basta carregar o temporizador
com um valor inicil de 15.535 que este vai levar 50.000 µs ou 50 ms para provocar um
set em TFn, para se obter uma base precisa de 1 s basta contar 20 set’s consecutivos..
6.1.2 – FLUXOGRAMA DO PROGRAMA ASSEMBLY
Ao se iniciar o sistema deve-se em primeiro lugar configurar o microcontrolador,
habilitando interrupções, configurando os temporizadores e desligando as saídas da
porta P2, desativando os alimentadores. Em segundo lugar deve-se entrar com os dados
iniciais, tais como semana, dia da semana, temperatura e hora inicial. Logo em seguida
o temporizador é ligado e se inicia a contagem de tempo e comparando semana e horas
inicia-se o acionamento dos alimentadores. A figura 23 mostra o fluxograma do sistema.
A contagem de tempo é o fator mais critico do sistema e deu-se prioridade máxima a
interrupção provocada pelo contador de tempo, assim sempre que ocorrer esta
interrupção um alimentador será acionado. O microcontrolador adotado neste trabalho
possui a facilidade de gerar estas interrupções e também a de dar prioridades às
mesmas.
37
Figura 23 – Fluxograma do programa assembly
Início
Inicia sistema
Contagem de tempo
Aguarda entrada de
dados iniciais
Verifica se é 24H
Fim
não
sim
Incrementa contador de
Verifica se é 06h
não
Verifica semana
Tabela de aleatoriedade
Aciona alimentador
1
1
Verifica se é 18h
Verifica se é semana 33
Conta tempo
não
sim
sim
não
Incrementa semana
38
6.1.3 – PROGRAMA ASSEMBLY
A programação do microcontrolador pode variar de acordo com o número de
semanas da criação e o tipo de peixe que será criado. No programa para demonstração
usou-se o timer0 para exemplificar como será a contagem de tempo no programa final.
Podendo usar-se este programa como uma subrotina do programa final.
;UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
;MESTRADO EM ENGENHARIA MECÂNICA
;PROGRAMA DEMO DE ACIONAMENTO DO ALIMENTADOR
;BENEDITO MIGUEL CALIL
org 00h ;inicia programa na linha 00H
mov ie,#00h ;desabilitando interrupções
mov p2,#00h ;move para porta P2 o valor 00
mov a,#01h ;move para registrador a o valor 01H
;Subrotina de acionamento, acionamento duplo de cada porta
aciona: MOV p2,a ;move para porta P2 o valor 01 aciona alimentador
call tempo1 ;chama subrotina tempo 1, tempo de acionamento
mov p2,#00h ;move para P2 o valor 00, desliga alimentador
call tempo1 ;chama tempo 1, conta tempo desligado
mov p2,a ;move para P2 o valor de A, pulso passivo
rl a ;reloca o conteúdo de A
call tempo2 ;chama subrotina tempo 2, tempo entre acionamen.
call aciona ;chama subrotina aciona
;Tempo de duração do estado ativo do trem de pulso (4 segundos)
tempo1: mov r1,#04h ;move o valor 4 para r1
mov tmod,#01 ;timer 0 modo 1.
volta1: mov r0,#20h ;carrega r0 com 20, assim, 20x50MS = 1S
loop1: mov th0,#3ch ;carrega thigh com high(15535)
mov tl0,#0afh ;carrega tlow com(15535)
setb tr0 ;liga o contador
39
jnb tf0,$ ;aguarda até tf0 ser igual a 1
clr tr0 ;quando tf0 estoura desliga contador
clr tf0 ;limpa o carry de estouro do contador
djnz r0,loop1 ;se r0, é diferente 0 desvia para loop1
djnz r1,volta1 ;se r1 é diferente de 0 desvia para volta 1
ret
;Tempo entre acionamentos 30seg
tempo2: mov r1,#30H ;move o valor 30 para r1
mov tmod,#01H ;timer 0 modo 1, timer 16 bits.
volta2: mov r0,#20H ;carrega r0 com 20, assim, 20x50MS = 1S
loop2: mov th0,#3ch ;carrega thigh com high(15535)
mov tl0,#0afh ;carrega tlow com(15535)
setb tr0 ;liga o contador
jnb tf0,$ ;aguarda até tf0 ser igual a 1
clr tr0 ;quando tf0 estoura desliga contador
clr tf0 ;limpa o carry de estouro do contador
djnz r0,loop2 ;se r0, é diferente 0 desvia para loop1
djnz r1,volta2 ;se r1 é diferente de 0 desvia para volta2
ret
end
Por ser um programa demonstrativo, conta somente com a função de acionar
seqüencialmente a porta P2 do microcontrolador. Cada acionamento é composto por
dois pulsos: um ativo que vai rotacionar o rotor e outro passivo que vai permitir
acomodação do circuito eletrônico.
6.2 – OS CIRCUITOS ELETRÔNICOS
A eletrônica envolvida no sistema consiste de uma interface de potência
devidamente protegida e isolada do microcontrolador na qual os componentes utilizados
são comerciais e de fácil aquisição, fato que torna todo sistema de fácil manutenção. A
40
programação do microcontrolador fica sendo o único fator que deverá ser mudado em
casos de mudança da espécie de peixe.
6.2.1 – INTERFACE DE POTÊNCIA
Os moto acionadores dos alimentadores foram dimensionados para trabalhar
com tensão DC de 180 V e corrente de 1A. A alimentação vem diretamente da tensão
da rede. O circuito responsável pela alimentação dos alimentadores está apresentado na
figura 24.
Figura 24 – Interface de potência dos alimentadores
Dois SCR´s ligados de forma oposta um ao outro, retificam a tensão da rede elétrica
ao mesmo tempo que invertem o sentido da corrente através do moto acionador. O
resistor R2 e o Capacitor C2 ligados em paralelo com a solenóide formam um circuito
BT151_500RINTERFACE POTÊNCIAALIMENTADOR
127V 60Hz 0Deg
O03
O12
O24
O37
~CP113
MR15
CP014
O410
O51
O65
O76
O89
O911
~O5-912
4017BD
7408N
1
23
7408N4
56
BC548A
220ohm4.7kohm
BC548A
220ohm4.7kohm
5VVCC
2_AMPF1
Porta_P2
R13220ohm
R10220ohm
T1
T2
M1
R21kohm
C21uF
BT151_500R
oscilador
41
chamado snubber [14]. Este circuito têm a finalidade de evitar que as taxas de variação
de tensão e de corrente, envolvidas no chaveamento dos SCR´s, possam afetar
severamente o funcionamento destes dispositivos. A proteção de curto circuito acidental
é feita pelo fusível de 2A colocado em série com a carga. O sinal de disparo dos SCR´s
é fornecido por dois transformadores de pulsos ligados de forma complementar, dando
referência de tensão ao mesmo tempo que isola o circuito eletrônico de baixa potência.
Os dois transistores funcionam como chaves e quando levados a saturação pelo sinal de
base acionam o primário dos transformadores de pulso.
Como cada SCR entra em corte quando inversamente polarizado, faz-se
necessário a geração de um trem de pulsos, que são fornecidos pelo circuitos astável
formado pelo CI 555. A freqüência de oscilação foi ajustada para 4 KHz ou um pulso a
cada 0,25 milisegundos. A freqüência da rede elétrica é de 60 Hz, fornecendo dois
semiciclos a cada 16 milisegundos, tempo para ter-se 64 pulsos, 32 para cada semiciclo,
número suficiente para garantir o fornecimento de energia ao moto acionador. As portas
END de duas entradas funcionam como chaves habilitadoras, permitindo a passagem do
trem de pulsos quando as entradas estiverem em nível alto.
O CI 4017 de baixo custo e largamente utilizado como circuito seqüenciador,
recebe sinal da porta P2 do microcontrolador , pino 14, e a cada descida do sinal tem-se
uma mudança na seqüência. Os pinos 3 e 4 habilitam respectivamente o sinal na base
dos transistores, enquanto os pinos 2 e 7 levam o circuito a um estado de desligado. O
pino 10 funciona como um reset através do pino 15.
6.2.2 – MICROCONTROLADOR E PERIFÉRICOS
Na figura 25, tem-se o esquema eletrônico completo do sistema.
O microcontrolador necessita de alguns componentes mínimos para seu
funcionamento: além do circuito de reset composto por um capacitor de 1µF e um
resistor de 8,2 KΩ (valores indicados pelo fabricante), tem-se um cristal de 12 MHz
valor escolhido porque o 8051 utiliza 12 ciclos do oscilador para realizar um ciclo de
máquina. Com o cristal de 12 MHz tem-se que cada ciclo de maquina dura 1 µs
servindo assim como base de tempo, atendendo à necessidade do sistema.
42
Figura 25 – Esquema Eletrônico completo do sistema
D29
8051
P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4
P1.6P1.5
P1.7RST
Tx/P3.1Rx/P3.0
INT0/P3.2INT1/P3.3T0/P3.4T1/P3.5WR/P3.6RD/P3.7XTAL2XTAL1Vss P2.0
P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7
PSENALE
EAP.0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0Vcc
1
2
4
3
J8F1
Vreg
7905IN OUT
V1
T1
C1
100mF
1 2 3
4 5 6
7 8 9
SUS 0 AST
VDD
U16
LCD
VD
RS
R/WLCD2 LINHAS
DB
0
DB
1
DB
01
DB
02
DB
03
DB
04
DB
05
DB
06
VSS
50%10kOhmKey = a
R23F
NE01A1
23
NE01B4
56
R25 8.2kohm
C21uF
5VVCC
C330pF
C430pF
X1
INT0
LED1
R261kohm
RST
U3
1
DIS7
OUT3
RST4
8
THR6
CON5
TRI2
GND
VCC2.7kohm
100nF
50%10kOhmKey = a
Bus2
IN1
Interfasce6
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface3
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface2
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface1
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface5
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface4
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface7
IN2
IN11
IN21
IN1
Interface8
IN2
IN11
IN21
Bus
7 – SISTEMA CONSTRUÍDO
Foi implementado e testado um sistema mínimo composto por um alimentador uma
interface de potência e um microcontrolador. As figuras 26 e 27 mostram fotos do
alimentador.
Figura 26 – Foto do alimentador
Figura 27 – Foto saída ração
As placas eletrônicas implementadas podem ser vistas na figuras 28 e 29.
ii
ii
Figura 28 – Placa eletrônica da interface
Figura 29 – Placa do microcontrolador
iii
iii
7 – CONCLUSÕES
O aumento de produtividade na criação de Tilápias proposto neste trabalho se baseia
na uniformização da alimentação entre os peixes de um tanque. O alimentador aleatório
permite que a tensão e a competitividade entre os peixes no momento da alimentação
diminuam, dando a oportunidade de uma alimentação mais uniforme do que nos casos onde o
alimentador é fixo.
O processo é automático, e portanto, imune às falhas humanas, muito comuns nas
atividades repetitivas e de longa duração. Além disso, correções de rumo podem ser feitas
durante o processo em função do rendimento do tanque. Com o peso médio dos peixes sendo
verificado periodicamente, é possível eliminar até algumas semanas no processo de criação,
pode-se ter um aumento de produtividade.
O controlador apresentado é de baixo custo e é uma solução para pisciculturas de
pequeno e médio porte. Os dados são fixos e programados em memória EPROM, para cada
tipo de peixe.
Os alimentadores permitem, por sua capacidade de armazenagem, que sejam
recarregados em um período de até 2 em 2 dias, diminuindo a mão obra necessária.
Como resultado final, tem-se um sistema que pode aumentar a produtividade, diminuir
custos diretos e indiretos e finalmente fornecer uma alimentação bem distribuída para os
animais, produzindo indivíduos semelhantes em forma e massa.
iv
iv
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Manual Técnico Piscicultura Tropical de Água Doce - Mogiana Alimentos, Campinas, SP,
2002.
[2] Barros, M.M.; Pezzato, L.E; Silveira, A.C.;Pezzato, A.C., “Digestibilidade Aparente de
Fontes Energéticas pela Tilápia do Nilo”, Simpósio Latino Americano e 6º. Simpósio
Brasileiro de Aqüicultura, Florianópolis, SC, 1988.
[3] Catálogo Comercial - Tecnologia e Manuseio de Produção - Bernauer Aquacultura Ltda.,
Blumenal – SC, 2002.
[4] Ferreira, M. A. C., “Desenvolvimento de um Sistema Especialista de Coleta e Análise de
Dados Aplicado à Piscicultura”, São Paulo, SP, 2002.
[5] Bernauer Aquacultura, “Equipamentos para piscicultura”, site:
http://www.beraqua.com.br.
[6] Almeida, G. F. da S., Marcelino, M., A., Castagnolli, N, “Controlador Automático para
Piscicultura em Tanques Artificias”, II Congresso Latino Americano de Ingenieria Agrícula,
ppa 246, p.1, Bauru, SP, 1996.
[7] Medeiros, F. da C., “Tanque-Rede – Mais Tecnologia e Lucro na Piscicultura”, Cuiabá,
MT, 2002.
[8] Rosa, P.V., et al., “Palatabilidade e Incidência de Patógenos em Tilápias do Nilo
Alimentadas com Dejetos de Suínos”, Rev. Soc. Bras. Zoot., pp. 542-545, 1990.
[9] Coughanowr, D. R. AND KOPPEL,L.B. Análise e Controle de Processos Ed. Guanabara,
Rio de Janeiro, RJ, 478p, 1978.
[10] Data Hund Book - Integrate Circuits 80C51 - Based 8 bis - Microcontrollers - Philips
Semicondutores, 1992.
[11] Taub, H., “Circuitos Digitais e Microprocessadores”, McGraw-Hill do Brasil, São Paulo,
SP, 503p, 1984.
[12] Gimenez, S. P., “Microcontroladores 8051”, Pearson Education do Brasil Ltda, São
Paulo, SP, 253p, 2002.
[13] Silva, J., VIDAL P., “Aplicações Práticas do Microcontrolador 8051”, Editora Érica, São
Paulo, SP, 243p, 2003.
[14] Lander, C. W.,“Eletrônica Industrial Teoria e Aplicações”, 2. ed., Editora Makron Books,
São Paulo, SP, 625p, 1996.
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