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FACULDADE DE TECNOLOGIA DO PIAUÍ – FATEPI
CURSO DE BACHARELADO DE SISTEMAS DE INFORMAÇÃO
KHALIL SAREV LOPES VERA CRUZ
USO DA PLATAFORMA ARDUÍNO NO DESENVOLVIMENTO DE ATIVAÇÃO
AUTOMÁTICA DE UM UMIDIFICADOR DE AR
TERESINA – PI
2016
KHALIL SAREV LOPES VERA CRUZ
USO DA PLATAFORMA ARDUÍNO NO DESENVOLVIMENTO DE ATIVAÇÃO
AUTOMÁTICA DE UM UMIDIFICADOR DE AR
Monografia apresentada à Faculdade de
Tecnologia do Piauí – FATEPI, como
requisito parcial para a obtenção do grau de
Bacharel em Sistemas de Informação.
Orientador: Prof. Me. Alinson Sousa de
Assunção.
TERESINA – PI
2016
KHALIL SAREV LOPES VERA CRUZ
USO DA PLATAFORMA ARDUÍNO NO DESENVOLVIMENTO DE ATIVAÇÃO
AUTOMATICA DE UM UMIDIFICADOR DE AR
Monografia apresentada à Faculdade de
Tecnologia do Piauí – FATEPI, como
requisito parcial para a obtenção do grau de
Bacharel em Sistemas de Informação.
Aprovado em: 21 de dezembro de 2016.
BANCA EXAMINADORA
________________________________________________________
Profᵒ. Me. Alinson Sousa de Assunção
Orientador
Faculdade de Tecnologia do Piauí – FATEPI
________________________________________________________
Profª. Esp. Renata Marreiros Leal Lopes
1ª Examinadora
Faculdade de Tecnologia do Piauí – FATEPI
________________________________________________________
Profº. Dr. Antonio Helson Mineiro Soares
2° Examinador
Faculdade de Tecnologia do Piauí – FATEPI
Às minhas avós Maria da Ressurreição (Dedê) e
Teresinha de Jesus Lopes (in memorian); À
minha mãe Clayde por sempre estar comigo
cuidando e apoiando. Também àquela com quem
pretendo passar o resto da vida, Lara, que me deu
apoio e incentivo para concluir o curso.
AGRADECIMENTOS
À Deus, por estar sempre presente em minha vida, por ter me dado saúde e força nos
momentos difíceis.
À minha mãe Clayde, por tudo que fez por mim, por sempre me apoiar e me
incentivar a terminar os estudos e por estar perto quando precisei.
Ao meu pai Manoel pela ajuda durante esse tempo, sou muito grato.
Aos meus amigos, minha gratidão.
A minha namorada e futura noiva e esposa Lara por sempre me incentivar a terminar
o curso e estar ao meu lado, meu especial carinho.
Ao pessoal da TI do Tribunal do Trabalho pelo aprendizado durante os dois anos de
estágio.
Ao meu orientador Alinson Assunção por compartilhar sua experiência, orientando-
me e mostrando os pontos em que deveriam ser melhorados o trabalho.
O sucesso é uma consequência e não um objetivo.
Gustave Flaubert
RESUMO
A baixa umidade do ar é um problema que aflige diversas regiões do globo, como o sertão
brasileiro e os desertos na África. Isso provoca danos à saúde humana, e foi a partir desse
ponto que se deu a necessidade de desenvolver um dispositivo que monitorasse a umidade do
ar e que acionasse um umidificador automaticamente. A melhor forma de criar um protótipo
com um baixo custo foi através da plataforma Arduino UNO, que é uma plataforma open
source, a qual utiliza uma linguagem de programação simples para a sua calibragem para que
os componentes se comuniquem entre si. O estudo foi realizado em um cômodo fechado (que
é um ambiente onde as pessoas passam boa parte do tempo ao longo do dia, seja em casa ou
no trabalho). É através do acoplamento dos componentes à placa Arduino que o sensor
monitora constantemente a umidade do ar e emite um alerta sono e visual, o qual indica que a
umidade está com um nível baixo e a partir daí possa acionar automaticamente o
umidificador. Ao final do estudo, observou-se que o objetivo inicial foi alcançado com o êxito
do funcionamento do protótipo.
Palavra-chave: Arduino UNO. Umidade do ar. Sensor. Protótipo.
ABSTRACT
Low moisture is a problem that worries many places around the world, such as the Brazilian
backwoods and the deserts from Africa and induce some problems to the human health ,thus,
there been the necessity to develop a device who had control the moisture and would trigger
automatically an air humidifier, and the best way to create a prototype with a low cost it was
through the Arduino UNO platform, which is an open source platform that uses a simple
programming language to its calibration so that the components to communicate each other.
The study was performed in a closed room, which is an environment where people spend
most of their time all day long, be at home or at work, through the components junction to the
Arduino board, the sensor constantly controls the humidity and emits an audible and visual
warning that moisture is with a low level and automatically activates the humidifier. At the
end of the examination, noticed the initial objective was obtained with the success of the
prototype operation.
Keyword: Arduino UNO. Air moisture. Sensor. Prototype.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Índice de umidade e alguns cuidados .......................................................................14
Figura 2: Evolução do Arduino ................................................................................................15
Figura 3: Arduino UNO ...........................................................................................................16
Figura 4: Interface do Arduino IDE .........................................................................................18
Figura 5: Botões da interface do Arduino IDE ........................................................................18
Figura 6: Esquema do protótipo................................................................................................21
Figura 7: Componentes utilizados.............................................................................................22
Figura 8: Microcontrolador ATMEGA328 ..............................................................................27
Figura 9: Código para teste do buzzer......................................................................................30
Figura 10: Display LCD em funcionamento
.............................................................................31
Figura 11: Código para testar o display LCD
............................................................................32 Figura 12: LED
ligado...............................................................................................................32 Figura 13:
Código para teste do sinal luminoso........................................................................33 Figura 14:
Código para leitura do sensor .................................................................................34 Figura 15:
Relé acionado..........................................................................................................34 Figura 16:
Código para teste do relé.........................................................................................35 Figura 17:
Código final.............................................................................................................36 Figura 18:
Dados de leitura no monitor serial ..........................................................................37
LISTA DE ABREVIATURAS
AD Analógico/ Digital
AVCC Referência de alimentação do conversor AD
AREF Referência de tensão para entradas analógicas
FTDI Future Technology Devices International
GND Ground (terra)
ICSP In Circuit Serial Programming
IDE Integrated Development Environment
LCD Liquid Crystal Display
LED Light Emitting Diode
NTC Negative Temperature Coefficient
Ua Umidade atual
UR Umidade Relativa
Us Umidade de saturação
USB Universal Serial Bus
Vin Voltage Input
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO....................................................................................................................12
2 UMIDADE DO AR E PLATAFORMA ARDUINO.........................................................14
2.1 UMIDADE DO AR E A SAÚDE HUMANA ...................................................................14
2.2 PLATAFORMA ARDUINO .............................................................................................15
2.2.1 Arduino UNO ................................................................................................................16
2.2.2 Software IDE (Integrated Development Environment) …………...………………....18
2.3 SENSOR DE UMIDADE E TEMPERATURA DHT11 ………………………………...20
3 METODOLOGIA ..............................................................................................................21
3.1 MATERIAL UTILIZADO ................................................................................................21
3.1.1 Funcionalidades .............................................................................................................22
3.1.2 Componentes .................................................................................................................22
3.1.2.1 Módulo Relé .................................................................................................................22
3.1.2.2 Sensor DHT11 ..............................................................................................................23
3.1.2.3 Cabo usb .......................................................................................................................23
3.1.2.4 Buzzer ..........................................................................................................................23
3.1.2.5 Jumpers ........................................................................................................................23
3.1.2.6 LED ..............................................................................................................................23
3.1.2.7 Display LCD 16x2 .......................................................................................................24
3.1.2.8 Protoboard 830 pontos .................................................................................................24
3.1.2.9 Umidificador de ar .......................................................................................................24
3.2 ETAPA DA CONSTRUÇÃO ............................................................................................24
3.2.1 Montagem ......................................................................................................................25
3.2.1.1 Estrutura .......................................................................................................................25
3.2.1.2 Elementos de sintaxe ....................................................................................................25
3.2.1.3 Variáveis ......................................................................................................................26
3.2.1.4 Constantes ....................................................................................................................26
3.2.1.5 Funções de entrada e saída digitais ..............................................................................26
3.2.1.6 Funções de tempo .........................................................................................................26
3.2.1.7 Comunicação serial ......................................................................................................27
3.2.1.8 ATMEGA328 ...............................................................................................................27
4 TESTES E RESULTADOS ................................................................................................30
4.1 TESTE COM BUZZER .....................................................................................................30
4.2 TESTE COM TELA LCD 16X2 .......................................................................................31
4.3 TESTE COM SINAL LUMINOSO ...................................................................................32
4.4 TESTE COM SENSOR DHT11 ........................................................................................33
4.5 TESTE COM MÓDULO RELÉ ........................................................................................34
4.6 TESTE FINAL, DISPOSITIVO FUNCIONANDO ..........................................................35
4.7 RESULTADOS ..................................................................................................................37
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 39
REFERÊNCIAS .....................................................................................................................40
12
1 INTRODUÇÃO
A tecnologia atualmente vem evoluindo a largos passos em todas as áreas. A cada
dia, novos dispositivos e componentes são criados para facilitar a vida das pessoas. Em
virtude da necessidade e dependência desses dispositivos no dia-a-dia, vê-se a necessidade de
eles serem cada vez menores e portáteis, mas de tal maneira que não percam sua qualidade e
eficiência devido a isso. Assim, um meio de desenvolvedores amadores e profissionais
criarem dispositivos para diversos fins é através da plataforma de prototipagem Arduino, que
é uma plataforma de baixo custo.
E é esse baixo custo que estimula os desenvolvedores a criarem dispositivos que
sejam úteis para as pessoas. Tais dispositivos podem atuar como ferramentas de trabalho ou
simplesmente para conforto e comodidade.
Tendo em vista melhoria no bem-estar, assuntos relativos à saúde possuem certa
importância. Com as mudanças que o clima vem sofrendo, regiões mais quentes e secas
apresentam umidade relativa do ar em níveis baixos, como na região nordeste do Brasil,
principalmente na área conhecida como sertão nordestino. Quando atingem níveis muito
baixos, esses se tornam nocivos à saúde. O Arduino pode ser utilizado para a criação de algo
que possa amenizar esse problema.
Esse pequeno computador pode ser programado para que se processem entradas e
saídas entre ele e os componentes externos que estejam ligados ao mesmo. A placa é o que
chamamos de uma plataforma de computação embarcada ou física, quer dizer que é um
sistema que pode fazer interação por meio de hardware e software com seu ambiente
(MCROBERTS, 2011).
O trabalho ora realizado utilizou essa plataforma para a construção de um dispositivo
protótipo que monitora a umidade relativa do ar de um ambiente fechado, alertando quando o
seu nível atinge um valor nocivo à saúde e ativando o funcionamento de um umidificador de
ar. Foi utilizado como objeto de estudo a plataforma Arduino UNO para a construção do
mesmo.
Logo a princípio, o seguinte problema veio: Como construir um dispositivo que
monitore a umidade do local e acione um umidificador caso atinja níveis prejudiciais à saúde?
Visto isso, foi traçado o objetivo geral de desenvolver um dispositivo sensor que monitore
constantemente a umidade do local e acione um umidificador de ar caso os níveis fiquem
muito baixos. Os específicos de verificar a melhor forma de integrar a placa Arduino UNO
13
com um sensor de umidade e o umidificador de ar, para que ele possa ser acionado. Também
observar a eficiência em ambiente fechado do sensor de umidade e do dispositivo criado.
Após pesquisas, a seguinte hipótese foi levantada: Montar um dispositivo que
monitore a umidade do ar de um ambiente fechado através de sensores interligados à
plataforma Arduino UNO; ligar um umidificador de ar que possa ser acionado quando o nível
de umidade estiver abaixo de um nível programado.
Com isso, o desenvolvimento desse trabalho é justificado pela necessidade de
desenvolver algo que possa ser útil a saúde das pessoas em locais fechados. Principalmente
em locais onde o clima é bastante seco, como na região do sertão do nordeste brasileiro, onde
os níveis de umidade do ar atingem níveis bastante baixos podendo causar problemas de
saúde. Devido a isso, observou-se a necessidade de desenvolver um dispositivo protótipo que
monitore a umidade do ar em um local fechado, como o cômodo de uma casa, e ligue um
umidificador de ar caso o nível de umidade fique muito baixo, que caso mostre-se eficiente,
seu código servirá para a programação de micro controladores mais simples e baratos que
possam ser ligados diretamente a um umidificador normal transformando-o em automático.
Este trabalho está estruturado em 5 (cinco) capítulos. O capítulo 1 consiste na introdução, em
que são explanados o problema, os objetivos e as justificativas. No capítulo 2, é feita uma
abordagem teórica por meio de pesquisas bibliográficas a respeito de Arduino, de sensores e
sobre umidade relativa do ar. O capítulo 3 mostra o desenvolvimento do dispositivo e sua
montagem, descrevendo a metodologia. No capítulo 4, são descritos os testes e resultados
obtidos. E no capítulo 5, as considerações finais.
14
2 UMIDADE DO AR E PLATAFORMA ARDUINO
Os pontos principais são a umidade o ar e a plataforma Arduino para execução do
projeto.
2.1 UMIDADE DO AR E A SAÚDE HUMANA
A presença de água na atmosfera e as mudanças de fases que ela sofre são muito
importantes para a distribuição de calor. A quantidade de vapor de água na atmosfera varia
muito, desde valores baixíssimos, como nos desertos, até valores altos, como os encontrados
nas regiões quentes e úmidas.
O parâmetro utilizado neste trabalho é a umidade relativa do ar que “é definida como
a razão entre o percentual (em número de moléculas) de água no ar pelo percentual que
corresponde à SATURAÇÃO naquela temperatura do ambiente” (SILVEIRA, 2014). Ou seja,
é a razão entre a umidade atual e a umidade de saturação:
𝑈𝑅% =𝑈𝑎
𝑈𝑠∗ 100
A umidade relativa do ar é um fator que afeta os organismos de todos os seres vivos,
pois ela influência no controle de temperatura corporal que:
Segundo a Organização Mundial de Saúde (OMS), o nível ideal para o organismo
humano gira entre 40% e 70%. Acima desses valores, o ar fica praticamente
saturado de vapor d’água, o que interfere no nosso mecanismo de controle da
temperatura corporal exercido pela transpiração (UMIDADE DO AR, 2014).
A umidade estando próximo aos 100%, nosso suor não evapora direito para poder
resfriar o corpo, fazendo com que nossa temperatura fique elevada e podendo fazer com que
ocorra um superaquecimento do corpo, causando mal-estar, cãibras e tonturas (DOS
SANTOS, 2010).
Já quando a umidade relativa do ar está baixa, ela é mais prejudicial à saúde, pois os
gases poluentes têm mais dificuldade de se dispersarem por causa do ar seco. Devido a esse ar
seco, podem surgir incômodos nos olhos, lábios, nariz por ressecar a mucosa deixando-as
sensíveis e sujeitas a irritação, podendo ocasionar feridas e assim deixando mais vulnerável a
vírus e bactérias, que têm uma sobrevivência por maior tempo em ambientes assim.
(BELLATO, 2016).
15
Em tempos de muito calor, quando o tempo fica seco e úmido, normalmente as
pessoas sentem os efeitos nocivos causados por esse estado climático, e aquelas que já
possuem problemas respiratórios, necessitam de atenção redobrada.
Quando a umidade relativa do ar se encontra entre 20 e 30%, dizemos que a região
está em estado de atenção. E quando esses valores ficam entre 12 e 20%, chama-se de estágio
de alerta. Já o estado de emergência ocorre quando a umidade fica abaixo de 12%.
(SANTANA, [201-]). A Figura 1, mostra alguns cuidados que se deve ter quando a umidade
está baixa.
Figura 1 – Índice de umidade e alguns cuidados.
Fonte: https://noticias.terra.com.br/climatempo/umidade-do-ar-
baixa,9823c0496fc43601cbd520de20cb8b7bbdujdrnv.html (2016).
2.2 PLATAFORMA ARDUINO
A plataforma Arduino teve início em 2005, e desde essa época até 2011, mais de
150.000 placas já foi vendida, isso as oficiais. Já o número de placas não oficiais deve ser
bem maior, provavelmente superando o número de 500 mil placas vendidas (MCROBERTS,
2011).
De acordo com Abreu (2012), em 2005 um grupo de acadêmicos que buscava a
redução de custos em projetos de microcontroladores, ganhou uma grande evolução e
reconhecimento mundial. A plataforma era simples e somente com comunicação tipo serial
RS232. Já em 2007, o Arduino Diecimilia passou a ter conexão USB. Em 2009, o Arduino
Duemilanove corrigiu vários erros da placa anterior. Em 2010, veio o Arduino UNO, que é a
16
placa base mais moderna que conta com mais memória e mais velocidade. Essa é a evolução
do Arduino até 2011, como é exibido na Figura 2:
Figura 2 – Evolução do Arduino.
Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfxPIAH/antonio-diego-monografia-arduino?part=2 (2016).
A origem do Arduino é italiana e seu nome vem da homenagem a um bar onde os
fundadores do projeto se reuniam e é por causa dessa origem que os modelos oficiais das
placas possuem nomes italianos: Uno, Due, Diecimila. Existem também diversos modelos
desenvolvidos por terceiros, já que essa é uma plataforma open hardware (CAMPOS, 2014).
O Arduino é composto por duas partes principais, a placa Arduino que é o hardware
que você trabalha na construção de objetos, e o Arduino IDE que o software que é usado no
computador para transmitir os comandos para a placa (BANZI, 2011).
Assim, o Arduino é um pequeno microcontrolador com um pequeno circuito, é um
computador em um pequeno chip, é muito menos potente que um computador normal, mas é
muito mais barato e útil para construir dispositivos. Mas o sucesso do dele não é apenas por
isso. Há um grande número de placas acessórias chamadas Shields que são compatíveis com o
mesmo, que são encaixadas diretamente na placa evitando o uso de soldas (MONK, 2013).
Ainda de acordo com EVANS (2011), a linguagem de programação utilizada para o
desenvolvimento do Arduino é a linguagem C. A equipe de Arduino desenvolveu uma
biblioteca de programação para a placa, contendo conjunto de funções que tornam a
programação da placa mais fácil.
2.2.1 Arduino UNO
O Arduino UNO é a última encanação da série de placas Arduino. A diferença para
as placas anteriores é que o UNO utiliza um chip USB diferente, que facilita a instalação do
17
software e o aumento da velocidade de comunicação com o computador. Sua fonte de
alimentação é de 3,3V, que fornece maior corrente, e vem equipado com o microcontrolador
ATmega328, que possui maior memória (MONK, 2013). Na Figura 3 é exibida a placa
Arduino UNO.
Figura 3 - Arduino UNO.
Fonte: http://livrozilla.com/doc/281160/monografia-cristiano-v1.3 (2016).
O UNO dispõe de 14 pinos de entrada e saída, 6 entradas analógicas, 16 MHz cristal
oscilador, uma conexão USB, um conector de energia, um conector ICSP e um botão de reset.
De acordo com Maia (20l2) ele se difere das placas anteriores por não utilizar o chip condutor
FTDI USB para a serial, facilitando o envio do código do computador para a placa. Ela possui
3 pinos GND, dois que fornecem voltagem regulada de 3.3 V e 5 V, e outro pino Vin que
fornece voltagem diretamente da alimentação, sendo por USB ou uma fonte externa, e um
pino de entrada para referência analógica (AREF).
Os principais aspectos técnicos do Arduino UNO estão expostos no Quadro 1 a
seguir:
Quadro 1 – Aspectos técnicos do Arduino UNO.
NOME DESCRIÇÃO
Microcontrolador ATmega328P
Tensão operacional 5 V
Tensão de entrada (recomendado) 7-12 V
Tensão de entrada (limite) 6-20 V
18
Pinos E/S digitais 14 (6 fornecem saída PWN)
Pinos E/S PWM digitais 6
Pinos de entrada analógicos 6
Corrente DC por pino E/S 20 mA
Corrente DC para pino 3.3 V 50 mA
Memória Flash 32 KB (ATmega328P), dos quais 0,5KB
utilizado pelo bootloader
SRAM 2KB (ATmega328P)
EEPROM 1KB (ATmega328P)
Velocidade do relógio 16 MHz
LED_BUILTIN 13
Comprimento 68,6 mm
Largura 53,4 mm
Peso 25 g
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Embora a recomendação da tensão de entrada chega de 7 à 12 V, a placa pode
suportar tensões de até 20V. Porém tensões superiores a 12V podem levar ao aquecimento dos
reguladores e consequentemente vir a danificar a placa (FURLAN, [201-]). E Oliveira e
Carvalho (2014) lembra que a placa pode ser energizada por um cabo UBS vindo do
computador e conectar o conector USB da placa, e a conexão USB também é o meio de
passar os códigos para a placa Arduino.
2.2.2 Software IDE (Integrated Development Environment)
O Arduino possui um IDE (Ambiente Integrado de Desenvolvimento) própria e pode
ser baixado em www.arduino.cc. Ela possui um editor, um compilador, um carregador e um
monitor serial. A linguagem utilizada para implementar são C/C++ junto com a biblioteca
Wiring que é um framework de programação open source (OLIVEIRA; CARVALHO, 2014).
O IDE permite a criação de novos programas chamados sketches para a placa em
uma linguagem simples. Esse ambiente é o responsável pelo envio do código fonte para o
compilador para converter o código para a linguagem C e por fim traduzir o resultado para a
19
linguagem da máquina que é compreendida pelo microcontrolador. (MAIA, 2012). Na Figura
4 é exibida a tela com a interface do Arduino IDE.
Figura 4 – Interface do Arduino IDE
.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Na Figura 5 são exibidos os botões que temos na interface destacados com um
número.
Figura 5 – Botões da interface do Arduino IDE.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Na tabela 1, são mostrados os nomes dos botões numerados na figura 5 e suas
respectivas descrições.
Tabela 1 – Botões do Arduino IDE.
Número Nome Descrição
1 Título | Versão
Nome do sketch e da
versão do Arduino IDE
20
2 Verificar Compila o código
3 Carregar Carrega o código na placa
4 Novo Cria um novo sketch
5 Abrir Abri um sketch existente
no computador
6 Salvar Salva o sketch
7 Monitor serial Janela que recebe os dados
enviados pelo Arduino
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
2.3 SENSOR DE UMIDADE E TEMPERATURA DHT11
Os sensores “são componentes elétricos que funcionam como dispositivos [...] De
modo mais abstrato, você pode classificar os sensores como um componente que serve para
medir um estímulo externo ao sistema em que ele estiver” (KARNIVEN; KARNIVEN,
2014).
O sensor utilizado neste trabalho é o sensor DHT11, que possui um componente
medidor de umidade e um componente NTC para temperatura. Na Tabela 2 segue as
especificações do sensor DHT11.
Tabela 2 – Especificações do sensor DHT11.
Nome Descrição
Modelo DHT11
Alimentação 3,0 a 5,0 VDC (5,5 VDC máximo)
Corrente 200uA a 500mA (stand by de 100uA a
150uA)
Faixa de medição de umidade 20 a 90% UR
Faixa de medição de temperatura 0º a 50ºC
Precisão de umidade de medição ± 5,0 UR
Precisão de medição de temperatura ± 2.0 ºC
Tempo de resposta < 5s
Dimensões 23mm x 12mm x5mm
21
Fonte: Elaborado pelo autor (2016) .
Embora sua faixa de umidade seja só entre 20 a 90%, é suficiente para o
desenvolvimento do protótipo devido ao ambiente onde será realizado o estudo e os testes
com o protótipo.
22
3 METODOLOGIA
O local da pesquisa por ser no Nordeste, que possui um clima de caatinga, bem como
a época em que experimento foi feito, nos meses de setembro a novembro, que são os meses
onde se atingem as maiores temperaturas e umidade extremamente baixas, ocasionando um
ambiente ideal para o experimento. Os materiais e equipamentos utilizados no protótipo serão
descritos neste capítulo.
3.1 MATEIAL UTILIZADO
Um esquema mostrando a visão geral, que mostra os componentes e conexões, pode
ser visto na Figura 6: O Arduino é ligado ao computador através do cabo USB, de onde irá
recebe os códigos. O módulo relé que será responsável por acionar o umidificador de ar
também será ligado à placa através de jumpers. Na protoboard, serão acoplados o sensor
DHT11, o buzzer, o LED e o display LCD, e a ligação com a placa Arduino será feito através
dos jumpers que terá uma ponta conectada nas trilhas onde os componentes estão acoplados e
a outra ponta na placa, fazendo assim a ligação entre os componentes e a placa.
Figura 6 – Esquema do protótipo.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
23
3.1.1 Funcionalidades
Acionamento automático do umidificador de ar: Quando a umidade do ar atingir um
valor inferior ao valor programado, o protótipo ativará automaticamente o umidificador de ar.
Alerta visual: Uma luz de LED acenderá no protótipo quando o nível de umidade
ficar abaixo do valor programado. Também será possível observar a umidade e temperatura
em um pequeno display LCD 16x2 que estará no protótipo.
Alerta sonoro: Um buzzer emitirá um som quando o nível de umidade ficar abaixo de
um valor programado.
3.1.2 Componentes
Com as funcionalidades escolhidas, a etapa seguinte são as descrições dos
componentes, na figura 7 estão numerados os componentes que foram utilizados.
Figura 7 – Componentes utilizados
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
3.1.2.1 Módulo Relé
O Módulo Relé, número 1 na figura 7, torna possível o acionamento de cargas de
220V, como equipamentos eletrônicos, motores ou simplesmente para fazer o isolamento
24
entre circuitos. Quando ele é acionado, uma luz vermelha nele se acende mostrando que ele
está liberando a passagem de energia.
3.2.2.2 Sensor DHT11
O DHT11 representando pelo número 2 na figura 7, é um sensor que permite a
medição de temperaturas de 0 a 50 graus celcius e de umidade relativa do ar de 20% a 90%. O
sensor de temperatura é um termistor tipo NTC e o sensor de umidade do tipo HR202. Ele é
envolto em uma peça de plástico com pequenos furos, para que o ar possa ser captado e o
sensor efetuar as leituras da umidade e temperatura.
3.2.2.3 Cabo USB
O cabo USB, o número 3 na figura 7, é utilizado para conectar a placa Arduino UNO
ao notebook para que os comandos possam ser inseridos. No projeto ele é utilizado tanto para
a passagem de dados, como também para a alimentação de energia para a placa.
3.2.2.4 Buzzer
O buzzer que é o número 4 na figura 7, uma pequena peça do tamanho de uma unha,
tem uma estrutura simplificada de transdutores eletrônicos. São bastante utilizados para
alarmes, é o responsável pelo alerta sonoro.
3.2.2.5 Jumpers
Os Jumpers, número 5 na figura 7, são pequenos fios que normalmente utilizados
para conectar dois pontos de um circuito elétrico. A extremidade dos fios podem ser
macho/fêmea, macho/macho ou fêmea/ fêmea, vai depender de acordo com a entrada do
circuito, no projeto eles são utilizados para interligar os componentes através da protoboard.
3.2.2.6 LED
25
O LED, número 6 na figura 7, é o componente eletrônico que tem como característica a
emissão
de luz. O LED utilizado é do tipo anodo comum, ou seja, o terminal maior, chamado anodo,
deve ser ligado no positivo, enquanto o menor, catodo, deve ser ligado no negativo. O
pequeno LED é o responsável pelo alerta visual.
3.2.2.7 Display LCD 16x2
O display LCD 16x2, que na figura 7 é numerado com 7, é uma pequena tela de LCD
de 16 colunas e 2 linhas, com o backlight azul e a escrita branca. Também possui um
controlador HD44780 que é um mesmo usado nas indústrias de LCD’s, nele os valores da
temperatura e umidade que são captados pelo sensor, irão aparecer respectivamente na
primeira e segunda linha.
3.2.2.8 Protoboard 830 pontos
Foi utilizado para interligar os componentes a placa Arduino uma protoboard de 830
pontos, indicada pelo número 8 na figura 7, ela tem as medidas de 16,5 x 5,5 x 1 cm. No
centro uma coluna divide em dois lado com 415 pontos em cada um, dando o total de 830
pontos. Desses, duas colunas de distribuição em cada extremidade com 100 pontos serão as
trilhas de alimentação e a terra. Pela protoboard é que os componentes são interligados a
placa Arduino.
3.2.2.9 Umidificador de ar
O Umidificador de ar, número 9 na figura 7, é um aparelho comum que pode ser
adquirido em qualquer loja. Ele possui a capacidade de 1,8 litros e uma autonomia de 7 horas
em potência máxima antes do reservatório secar, ele funciona com uma corrente elétrica de
220v.
3.3 ETAPA DA CONSTRUÇÃO
Para construir o protótipo foi necessário o uso do software livre do Arduino. Ele
pode ser baixado no site da plataforma Arduino www.arduino.cc. Através desse software, os
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comandos serão inseridos na placa que estará interligada aos componentes através das
conexões dos jumpers e da protoboard.
3.3.1 Montagem
O protótipo será interligado ao notebook através do cabo USB, pelo qual os dados
programados serão enviados e é também por onde placa Arduino receberá alimentação de
energia. A linguagem de desenvolvimento utilizada para a programação dos comandos é a
linguagem C através de um sketch. O programa compilado no computador interage com os
componentes através das conexões com a placa feita através dos jumpers e recebe os dados do
sensor.
Os passos para a programação são relativamente simples:
1 – Conectar a placa Arduino ao notebook através do cabo USB.
2 – Executar o software Arduino IDE.
3 – Escrever as linhas de programação no sketch.
4 – Fazer o upload do sketch para a placa Arduino.
5 – Receber o resultado da execução do sketch.
Neste trabalho já foi visto a interface do software Arduino IDE bem como os seus
botões e suas funcionalidades. Como toda estrutura de programação, o sketch tem sua
estrutura, funções, constantes, símbolos que será melhor explicado a seguir.
3.3.1.1 Estrutura
O sketch é dividido em duas partes, Void setup e Void loop:
Void setup é utilizada para iniciar as variáveis, PinMode e o uso das bibliotecas. É
executada cada vez que a placa é reiniciada.
Void loop é onde ocorre os loops permitindo o programa de executar as operações, é
onde se digita o que você quer que o código faça.
3.3.1.2 Elementos de sintaxe
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Ponto e virgula (;) – Toda linha de comando deve ser encerrada por ponto e vírgula
(;), pois a falta do mesmo acarretará em erro de compilação e assim o programa não é
executado.
Chaves ({}) – São utilizadas para demarcar sessões de códigos, chaves abertas e
fechadas em locais errados podem ocasionar erros. Elas são usadas normalmente em
comandos com if (se), else (então), while (enquanto).
Comentário (//) - São utilizadas quando se deseja deixar algum comentário em
alguma parte do código, linhas de comentários não são interpretadas como sendo partes a
serem executadas pelo programa.
3.3.1.3 Variáveis
Variáveis são expressões utilizadas para armazenar valores, quando são declaradas o
seu tipo deve ser especificado. Os tipos de variáveis podem ser: boolean, char, byte, int,
unsigned int, long, unsigned long, float, double, string, array, void.
3.3.1.4 Constantes
Constantes são expressões particulares com significado especifico.
False – Constante para indicar afirmação falsa, é definida como 0 (zero)
True – Constante para indicar afirmação verdadeira onde qualquer inteiro que
não é zero é true.
HIGH – Pode indicar se o pino está ligado
LOW – Pode indicar se o pino está desligado
INPUT – Pinos do Arduino configurados como INPUT estão em alta
impedância, fazendo com que eles sejam úteis para ler valores de sensores.
OUTPUT – Pinos configurados como OUTPUT estão com baixa impedância,
significando que podem fornecer corrente para outros circuitos.
3.3.1.5 Funções de entrada e saída digital
pinMode (pin, mode) – Configura o pino para que comporte-se como entrada
ou saída, ou seja, se ele vai enviar a informação ou receber.
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digitalWrite (pin, valor) – Escreve o comando se o pino vai estar HIGH
(ligado) ou LOW (desligado).
digitalRead (pin) – Ler o valor de um pino digital específico, se ele está HIGH
(ligado) ou LOW (desligado).
3.3.1.6 Função de tempo
delay(ms) – Suspende a execução do programa pelo tempo, em milissegundos,
que foi indicado no parâmetro, utilizado para determinar os intervalos entre os
beeps do buzzer e para delimitar o intervalo de tempo entre as leituras do sensor
de umidade e temperatura.
3.3.1.7 Comunicação serial
É usada para a comunicação entre a placa e outros dispositivos. Ela é feita através
dos conectores da placa, e a comunicação é feita através das funções seriais.
Serial.begin (int velocidade) – Ajusta a taxa de transmissão em bits por
segundo para que a transmissão de dados seja pelo padrão serial.
Serial.print(data) – Envia dados pela porta serial.
3.3.1.8 ATMEGA328
Na figura 8 temos o esquema do microcontrolador ATMEGA328 e seus pinos.
Figura 8 – Microcontrolador ATMEGA328.
Fonte: http://blog.webtronico.com/?author=3 (2016).
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O componente principal da placa Arduino UNO é seu microprocessador
ATMEGA328, possui uma CPU AVR que possui uma pipeline no qual enquanto uma
instrução está sendo executada a próxima já está sendo carregada, com isso instruções mais
simples são carregadas em um único clock. Ele possui 28 pinos sendo que 23 deles são para
entrada e saída, os pinos são distribuídos em 2 fileiras com 14 pinos de cada lado.
VCC – Pino de tensão de alimentação.
GND – Pino terra.
Port B (PB7..PB0 / XTAL1 / XTAL 2/ TOSC1 / TOSC2) – Port B é bidirecional
de entrada e saída de 8 bits que tem resistores internos de pull-up (forçam nível)
para cada bit, os buffers de saída possuem alta capacidade de receber e fornecer
corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero irão fornecer corrente se os
resistores de pull-up estiverem habilitados, os pinos irão ficar em tri-state
quando uma condição de reset está ativa mesmo se o clock não estiver rodando.
Dependendo de como estiverem selecionados os fusíveis do ajuste do clock o
PB6 pode ser usado de entrada para o amplificador oscilador inversor e de
entrada para o circuito do clock. Da mesma maneira o PB7 ser utilizado como
saída do amplificador oscilador inversor. Se o oscilador RC calibrado for usado
como fonte de clock, PB7..6 vai ser usado como entrada e TOSC 2..1 para
temporizador/controlador.
Port C (PC5..PC0) – A Port C é bidirecional de entrada e saída de 7 bits também
com resistores pull-up, os buffers de saída possuem alta capacidade de fornecer e
receber corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero irão fornecer
corrente se os resistores de pull-up estiverem habilitados, os pinos irão ficar em
tri-state quando uma condição de reset está ativa mesmo se o clock não estiver
rodando.
PC6 / RESET – Se o fusível RSTDISBL for programado o PC6 é utilizado com
pino de entrada e saída, sendo que suas características elétricas são diferentes
dos pinos da Port C, caso contrário o PC6 é utilizado com entrada do reset.
Port D (PD7..PD0) – Port D é bidirecional de entrada e saída de 8bits e de
resistores internos de pull-up, os buffers de saída possuem alta capacidade de
fornecer e receber corrente. Como entrada, os pinos colocados em zero irão
fornecer corrente se os resistores de pull-up estiverem habilitados, os pinos irão
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ficar em tri-state quando uma condição de reset está ativa mesmo se o clock não
estiver rodando.
AVCC – Pino para alimentação do conversor AD, deve ser conectado ao VCC
externamente mesmo se o A/D não estiver sendo utilizado.
AREF – Pino de tensão de referência analógica do conversor AD.
Após tomar conhecimento dos pinos e suas funções, bem como conhecer os
componentes e os papeis que irão desempenhar, os testes com os componentes podem ser
iniciados, conectando os componentes aos pinos corretos e testando se estão funcionando
corretamente.
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4 TESTES E RESULTADOS
Os testes foram realizados primeiro individualmente em todos os componentes
utilizados, a fim de verificar se todos estavam funcionando. Após os testes individuais, e a
constatação que todos estavam com o funcionamento correto, os testes com todos os
componentes funcionando em conjunto foram realizados para certificar-se de que não havia
conflitos.
4.1 TESTE COM BUZZER
O buzzer é utilizado para alertar que o nível de umidade está abaixo do valor
programado. Um pino é ligado a corrente de 5v para a alimentação. O pino positivo é ligado à
porta digital 10 do Arduino, e o pino negativo conectado ao GND (terra), Na Figura 9 é
mostrado o código para o teste do buzzer.
Figura 9 – Código para teste do buzzer.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
O buzzer dará um beep na frequência de 1500 Hz e irá durar 1000 milissegundos,
então irá esperar um tempo de 1.000.000 milissegundos para repetir o som. O volume do som
não é muito baixo, mas também não é alto para evitar incômodo.
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4.2 TESTE COM TELA LCD 16X2
A tela de LCD de 16x2 é utilizada para mostrar em tempo real os valores da temperatura e da
umidade do ar. Ela é encaixada na protoboard e a partir dela os jumpers irão conectar as
trilhas correspondentes do display aos pinos da placa Arduino. As conexões dos pinos do
display com a placa Arduino estão descritas na Tabela 3.
Tabela 3 – Conexões do LCD.
Pino LCD Função Ligação
1 Vss GND (terra)
2 Vdd 5v
3 V0 Potenciômetro
4 RS Pino 12 do Arduino
5 RW GND (terra)
6 E Pino 11 do Arduino
11 D4 Pino 5 do Arduino
12 D5 Pino 4 do Arduino
13 D6 Pino 3 do Arduino
14 D7 Pino 2 do Arduino
15 A 5v
16 K GND (terra)
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Foi utilizado também um potenciômetro, que serve para controlar o contraste da tela,
tornando as letras visíveis. Sem ele não seria possível enxergar as informações mostradas no
display. Na figura 10 é exibido o display LCD em funcionamento.
Figura 10 – Display LCD em funcionamento.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
O código para testar o funcionamento do display LCD está exibido na Figura 11.
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Figura 11 – Código para testar o display LCD.
Fonte: Elaborada pelo autor (2016).
Teste para verificar se as duas linhas do display estavam funcionando.
Com o texto “LCD TESTE” na primeira linha e “SEGUNDA LINHA” na segunda
linha do display.
4.3 TESTE COM SINAL LUMINOSO
O pequeno LED é encaixado na protoboard e dela os jumpers o liga ao Arduino, que
vai ser ligado ao pino digital 13, e para verificar se ele acende. Foi programado para ligar ao
ser pressionado a tecla “L”, e desligado ao ser pressionado a tecla “D”. Na Figura 12 o LED
ligado. A outra perna do LED é ligada na corrente de 5v.
Figura 12 – LED ligado.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
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O sinal luminoso é utilizado para informar quando a umidade atingiu o limite
definido e o umidificador é ligado. O código para testar se a luz está funcionando e se as
conexões estão corretas está exibido na Figura 13.
Figura 13 – Código para teste do sinal luminoso.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
4.4 TESTE COM SENSOR DHT11
O sensor DHT11 é responsável pela medição da umidade e da temperatura. Ele fica
encaixado na protoboard e os jumpers conectam as trilhas onde ele está até a placa Arduino.
O pino VCC é ligado a corrente 5v. O segundo pino é ligado ao GND. E o terceiro, o de
dados, é ligado a porta A1 na placa Arduino. Um resistor 10k é colocado entre o VCC e o
pino de dados, para regular o fluxo da corrente e evitar de aparecer problemas de leitura e
precisão, sem ele poderiam aparecer leituras que não fariam sentido, na Figura 14 é exibido o
código utilizado para verificar o funcionamento e captação dos dados do sensor. Sensor utiliza
a biblioteca DHT, ele aguarda 2000ms entre as leituras.
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Figura 14 – Código para leitura do sensor.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
4.5 TESTE DO MÓDULO RELÉ
O relé é acionado e após o tempo programado ele é deligado. Em seguida, após
alguns milissegundos, é acionado novamente. A Figura 15 pode-se observar o relé acionado.
Quando o relé é acionando, uma luz se acende indicando que ele está ativado.
Figura 15 - Relé acionado.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
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O módulo relé é o responsável por fazer o acionamento do umidificador e interliga-lo
a placa Arduino. Ele suporta a carga de 220v e evita que essa tensão elétrica passe para a
placa danificando-a. O pino VCC é ligado ao pino de 5v, O pino GND do relé é ligado ao
pino terra, e o pino INT 2 ligado ao pino 8 do Arduino. Na figura 16 é exibido o código para
testar o funcionamento do relé.
Figura 16 – Código para teste do relé.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
4.6 TESTE FINAL, DISPOSITIVO FUNCIONANDO
O Teste final tem como propósito interligar todos os dispositivos com a placa
Arduíno e faze-los trabalharem em conjunto. O sensor monitora a temperatura e a umidade e
envia as informações para a placa. Os valores recebidos são mostrados no monitor serial no
software e no display de LCD. Se o valor da umidade for menor ou igual a 30%, o relé irá
acionar o umidificador que irá começar a funcionar. Uma luz de LED também acenderá
indicando que a umidade do ar está baixa e o dispositivo está acionado. O buzzer irá ficar
emitindo um beep a cada alguns segundos enquanto o dispositivo estiver acionado e a
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umidade estiver menor ou igual a 30%, uma luz também acenderá no relé indicando que ele
está ativado. Na figura 17 é exibido o código final.
Figura 17– Código final.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Na primeira parte do código, as bibliotecas LiquidCrystal que são utilizadas pela tela
LCD e a DHT que é utilizada pelo sensor de umidade. Também é definido o pino A1 como o
ligado ao sensor, o pino 8 ligado ao relé, os pinos 2, 3, 4, 5, 11 e 12 ligados ao display LCD, o
pino 13 é ligado ao LED e o pino 10 ligado ao buzzer. Então a tela, os sensores e o relé são
inicializados.
Na segunda parte, vemos a parte do código que é feita a leitura da umidade e
temperatura e então os valores são escritos no serial monitor e no display LCD, que a cada
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2000 milissegundos recebem um novo valor de leitura. Então vem a parte que do código que
define que se o valor da umidade for menor ou igual a 30%, o LED, o buzzer e o relé são
ativados. Com o relé ativado, a corrente é liberada para o umidificador ligando-o. Na Figura
18 são exibidos os dados de leitura escritos no serial monitor.
Figura 18 – Dados de leitura no monitor serial.
Fonte: Elaborado pelo autor (2016).
Dados de recebidos pelo sensor durante alguns segundos sendo mostrados no
monitor serial.
4.7 RESULTADOS
O protótipo proposto foi construído com êxito. Um dispositivo com um alerta sonoro
e visual e que aciona um umidificador de ar, ajudando assim no nível de umidade do ambiente
evitando que permaneça baixo.
Ao longo dos testes, os valores definidos para a ativação do dispositivo foram
alterados no código para testar a ativação com diferentes valores de umidade. A interface IDE
é de fácil entendimento, o que possibilita a manipulação dos valores.
O valor da construção do protótipo ficou aproximadamente em R$ 175,00. É um
protótipo que apresenta uma confiabilidade e grande eficácia. Com sua eficácia testada, seu
código poderá ser utilizado para a programação de microcontroladores simples e baratos que
poderão ser colocados diretamente em umidificadores normais adaptando-os em automáticos,
sendo muito mais barato que comprar umidificadores automáticos, tornando-se uma opção
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mais vantajosa na questão econômica. Dificuldades foram encontradas durante o projeto,
como a utilização do relé para acionar o umidificar, pois o mesmo trabalha com voltagens
mais altas, que pode ser perigoso na hora de conectar os cabos de energia, mas as dificuldades
foram superadas com pesquisas sobre como manusear componentes elétricos, para que algum
acidente fosse evitado.
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5 CONSIDERAÇÕES FINAIS
A proposta do trabalho era a construção de um dispositivo protótipo que monitorasse
a umidade do ambiente constantemente e caso a umidade ficasse abaixo de um valor
programado, umidificador de ar é acionado juntamente com um alerta visual e sonoro que
mostra que o dispositivo está em funcionamento.
Para a montagem do protótipo é necessário algum conhecimento de hardwares para
poder montar e fazer a interligação dos componentes, também é preciso um conhecimento de
programação, para poder escrever o código bem como identificar erros possam ocorrer
durante a compilação do código. Uma parte que deve-se tomar cuidado é quando for
manusear o relé, pois é durante essa parte que será preciso manusear fios elétricos, devendo
ter um cuidado redobrado.
O desenvolvimento do mesmo possibilitou que o umidificador fosse acionado
automaticamente de acordo com o monitoramento da umidade, buscando o aumento do nível
de umidade do local evitando que fique em um nível prejudicial à saúde.
Concluiu-se que a placa Arduino ligada ao sensor e também ao relé, para a ativação
do umidificador, é bastante eficaz para o monitoramento da umidade e como forma de
amenizar o problema de umidade. Portanto, através desse estudo, tornou-se possível o
desenvolvimento desse dispositivo, com isso, seu código de programação pode ser utilizado
na programação de microcontroladores baratos e que possam ser colocados diretamente em
um umidificador, transformando assim um umidificador normal em um automático, sendo
mais vantajoso financeiramente do que comprar um umidificador automático em uma loja,
alcançando os objetivos propostos inicialmente.
Ao concluir este trabalho, destaca-se que este estudo mostrou ter grande importância
para a sociedade, pois em locais de clima seco, onde os níveis de umidade podem alcançar
valores baixos. Ele seria de grande ajuda para combater a baixa umidade de um local,
evitando que a mesma fique em níveis prejudicais à saúde. E também por mostrar uma opção
mais econômica de se ter um umidificador de ar automático.
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