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    WALLACE VILAS BOAS SIQUEIRA

    [email protected]

    O MICROCONTROLADOR ARDUINO COMO UMA

    CENTRAL DE MONITORAMENTO DE CONSUMO DE

    ENERGIA ELTRICA

    Monografia apresentada ao Curso de

    Engenharia de Produo do Instituto Federal

    de Educao, Cincia e Tecnologia de Minas

    Gerais como parte dos requisitos para a

    obteno do Grau de Engenheiro de Produo.

    Orientador(a): Marcelo Silva

    Governador ValadaresMG

    2014

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    ATA DE DEFESA

    Aos ___ dias do ms de _______de ______, s ___ horas, na sala ___ deste instituto, foi

    realizada a defesa do Trabalho de Concluso de Curso pelo (a) aluno (a)

    ______________________________, sendo a comisso examinadora constituda pelos

    professores:_________________________________________________________________

    _________________________________________________________.

    O (a) aluno (a) apresentou o trabalho intitulado: __________________________________

    ___________________________________________________________________________.

    A comisso examinadora deliberou, pela ________________ do(a) aluno (a), com anota_______. Na forma regulamentar foi lavrada a presente ata que assinada pelos membros

    da comisso examinadora e pelo (a) aluno(a).

    Governador Valadares, ____ de ________ de ______.

    ___________________________________Professor(a) Orientador(a)

    ____________________________________Convidado(a)

    ____________________________________Convidado(a)

    ____________________________________Aluno (a)

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    TERMO DE RESPONSABILIDADE

    O texto do trabalho de concluso de curso intitulado O Microcontrolador Arduino como uma

    Central de Monitoramento de Consumo Residencial de Energia Eltrica de minha inteira

    responsabilidade. Declaro que no h utilizao indevida de texto, material fotogrfico ou

    qualquer outro material pertencente a terceiros sem o devido referenciamento ou

    consentimento dos referidos autores.

    Governador Valadares, 03 de novembro de 2014

    _______________________________________Wallace Vilas Boas Siqueira

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    Dedico esta conquista a Deus, amim mesmo, a minha famlia,

    aos meus amigos, ao meu futurotrabalho. Tudo em ordem de

    importncia.

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    AGRADECIMENTOS

    Agradeo a minha famlia pelo apoio durante toda a jornada.

    Aos docentes por transferirem conhecimento de alta qualidade e nortear os estudos para o

    melhor caminho.

    As amizades feitas no ambiente acadmico que iro perdurar para toda a vida.

    A equipe ELLO pelo timo servio prestado comunidade acadmica.

    A minha namorada pela compreenso dos momentos difceis e necessrios.

    A todos que me auxiliaram direta ou indiretamente para a concretizao desta etapa.

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    Happiness is only real when

    shared.

    Christopher McCandless

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    R E S U MO

    SIQUEIRA, Wallace Vilas Boas. O Microcontrolador Arduino como uma Central de

    Monitoramento de Consumo de Energia Eltrica, 2014. (Graduao em Engenharia deProduo). Instituto Federal de Minas GeraisCampus Governador Valadares-MG.

    Os custos com energia eltrica seja em residncias ou em indstrias, podem representar uma

    grande parte do oramento mensal dos clientes. Monitorar estes custos de forma eficiente

    pode em alguns casos significar a otimizao dos mesmos. Na era da dependncia de energia

    para as tarefas mais bsicas do ser humano, os custos com energia tm aumentado

    constantemente e o consumidor brasileiro no possui uma forma prtica para monitorar a

    evoluo do valor de sua fatura mensal. Para tentar resolver este problema, o presentetrabalho visa desenvolver uma central de monitoramento de consumo energtico com o uso de

    um sensor de corrente acoplado ao micro controlador Arduino. Tal projeto consiste em exibir

    para o cliente final o valor em reais do seu consumo de energia instantaneamente.

    Palavras-chave: arduino; micro controlador; energia eltrica; sensor de corrente; consumo de

    energia eltrica.

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    ABSTRACT

    The electricity costs either in homes or in industries may represent a large part of the monthly

    budget of the customers. Monitoring these costs can efficiently in some cases mean

    optimization thereof. In the era of energy dependence for the most basic tasks of a human

    being, energy costs have steadily increased and the Brazilian consumer has no a practical

    way to monitor changes in the value of your monthly bill. To try to solve this problem, this

    paper aims to develop a central monitoring energy consumption using a current sensor

    coupled to the microcontroller Arduino. This project consists of display to the end customer

    on the value of your actual power consumption instantly.

    Key-words: arduino; microcontroller; eletric power; current sersor; consumption of eletric

    power.

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    LISTA DE FIGURAS

    Figura 2.1 Conta de Luz CEMIG 20Figura 2.2 Tarifa CEMIG homologada pela ANEEL 21

    Figura 2.3 Arduino 24

    Figura 2.4 Especificaes Arduino 25

    Figura 2.5 IDE Arduino 26

    Figura 2.6 Interface Tera Term Pro 27

    Figura 2.7 Sensor de corrente SCT-013 28

    Figura 2.8 Caractersticas fsicas do sensor SCT-013 28

    Figura 2.9

    Figura 2.10

    Protoboard 830

    Esquema de fluxo de atividades de Baxter

    29

    31

    Figura 4.1 Esquema do modelo proposto 33

    Figura 4.2 Valor real de tenso fornecida para a residncia 35

    Figura 4.3 Teste com lmpada de 60W 36

    Figura 4.4 Medio com o sensor e multmetro 37

    Figura 4.5 Teste com ferro de passar de 1200W 38

    Figura 4.6 Interface do sistema (Tera Term PRO) 39

    Figura 5.1 Incio da medio (medidor analgico) 40

    Figura 5.2 Final da medio (medidor analgico) 40

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    LISTA DE GRFICOS

    Grfico 5.1 Evoluo do consumo (kWh) 41Grfico 5.2 Consumo instantneo de potncia 42

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    LISTA DE TABELAS

    Tabela 2.1 Especificaes do sensor SCT-013 27Tabela 4.1 Custos do projeto 29

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    LISTA DE EQUAES

    Equao 2.1 Equao para o clculo do valor da conta de luz 17Equao 2.2 Equao da tenso 18

    Equao 2.3 Equao da corrente eltrica 18

    Equao 2.4 Equao da energia 19

    Equao 2.5 Equao da potncia eltrica 19

    Equao 2.6 Equao da energia em Wh 19

    Equao 2.7 Equao da energia em kWh 19

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    LISTA DE APNDICES

    APNDICE 1 Cdigo de calibrao do sensor 51

    APNDICE 2 Cdigo final para monitoramento 52

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    ABREVIATURAS, SIGLAS E CONVENES

    ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica 13

    CEMIG Companhia Energtica de Minas Gerais 13

    ICMS Imposto Sobre Circulao de Mercadorias e Prestao de Servio 17

    PC Personal Computer 19

    LED Light Emitting Diode 20

    USB Universal Serial Bus 20

    IDE Integrated Development Environment 21

    ABEPRO Associao Brasileira de Engenharia de Produo 25

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    SUMRIO

    LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................ 8

    LISTA DE GRFICOS .............................................................................................................. 9LISTA DE TABELAS ............................................................................................................. 10

    LISTA DE EQUAES .......................................................................................................... 11

    LISTA DE APNDICES ......................................................................................................... 12

    ABREVIATURAS, SIGLAS E CONVENES .................................................................... 13

    SUMRIO ................................................................................................................................ 14

    1 INTRODUO ................................................................................................................ 16

    1.1 FORMULAO DO PROBLEMA .............................................................................. 17

    1.2 JUSTIFICATIVA .......................................................................................................... 171.3 OBJETIVOS .................................................................................................................. 18

    1.3.1 Objetivo Geral ............................................................................................................ 18

    1.3.2 Objetivos Especficos ................................................................................................ 18

    1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO .................................................................................. 19

    2 FUNDAMENTAO TERICA .................................................................................... 20

    2.1 CLCULO DO VALOR DA CONTA DE ENERGIA ELTRICA ............................ 20

    2.2 TENSO E CORRENTE ELTRICA.......................................................................... 22

    2.3 ENERGIA E POTNCIA ............................................................................................. 22

    2.4 SISTEMAS EMBARCADOS ....................................................................................... 24

    2.4.1 O ARDUINO ................................................................................................................... 24

    2.4.1.1 IDE DO ARDUINO .............................................................................................. 25

    2.4.1.2 TERA TERM PRO 3.1.3....................................................................................... 26

    2.4.1.3 SENSOR DE CORRENTE NO INVASIVO ..................................................... 27

    2.4.1.4 PROTOBOARD 830 ............................................................................................. 28

    2.5 ENGENHARIA DO PRODUTO .................................................................................. 29

    2.6 PLANEJAMENTO DO PRODUTO ............................................................................. 29

    2.7 CRIANDO NOVOS PRODUTOS INOVADORES ..................................................... 31

    3 METODOLOGIA ............................................................................................................. 32

    3.1 CLASSIFICAO DA PESQUISA ............................................................................. 32

    4 APRESENTAO DO MODELO PROPOSTO ............................................................. 33

    4.1 DESCRIO DAS ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO ........................................ 33

    4.1.1 AQUISIO DOS EQUIPAMENTOS E COMPONENTES .................................. 34

    4.1.2 TESTES E CALIBRAO DO SENSOR ................................................................ 34

    4.1.2.1 TESTE DE TENSO ............................................................................................. 35

    4.1.2.2 CALIBRAO DO SENSOR DE CORRENTE .................................................. 36

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    4.1.2.3 TESTE LMPADA DE 60 W ............................................................................... 36

    4.1.2.4 TESTE FERRO DE PASSAR DE 1200 W ........................................................... 37

    4.1.3 CDIGO-FONTE PARA CLCULOS DE CONSUMO ......................................... 38

    5 RESULTADOS E ANLISES ......................................................................................... 396 CONCLUSO .................................................................................................................. 43

    6.2 RECOMENDAES .................................................................................................... 44

    Referncias ............................................................................................................................... 45

    ANEXOS .................................................................................................................................. 47

    APNDICES ............................................................................................................................ 50

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    1 INTRODUO

    O consumo de energia eltrica no Brasil aumentou e a causa disso pode estar alm

    do crescimento populacional. De acordo com Loureiro (2009), ao longo dos ltimos anos, o

    Brasil tem experimentado um constante crescimento econmico e este pode ser uma das

    causas de elevao do consumo de energia eltrica.

    Devido s consequncias sobre a poltica energtica no Brasil e sobre os preos

    praticados nesse setor, os temas relacionados aos parmetros utilizados nas projees e

    planejamentos do setor energtico possuem alto interesse pblico (DARAUJO apud

    LOUREIRO, 2009). Segundo Loureiro (2009), os estudos realizados para obteno dos custos

    indiretos com a energia ainda so mal compreendidos e as tarifas sobem a cada ano.

    Como exemplo da situao atual, a ANEEL (Agncia Nacional de Energia

    Eltrica) definiu na segunda-feira do dia 07/04/2014, o ndice de 14,24% de reajuste da tarifa

    de energia eltrica da CEMIG (Companhia Energtica de Minas Gerais) para o consumidor

    residencial e 14,21% para consumidores industriais (BELO HORIZONTE, 2014).

    O custo da energia comprada pelas distribuidoras basicamente tm aumentado em

    razo de trs fatores: o uso das usinas trmicas (mais caras), que comeou no ano passado,para compensar a escassez de gua nos reservatrios das hidreltricas, a falta de contratos de

    longo prazo que forou as empresas a buscarem energia no mercado livre e assinatura

    de novos contratos de longo prazo j com preos mais altos (MNICA TAVARES, 2014).

    Na era da evoluo tecnolgica e da dependncia de energia eltrica, o consumidor

    final pode tomar um susto a cada conta que recebe no ms, pois no possui uma forma

    simples e prtica para saber o quanto consome de energia diariamente nem os custos

    acumulados do consumo ao longo do ms.No intuito de resolver a problemtica relatada, o presente trabalho busca projetar e

    desenvolver o prottipo de um dispositivo capaz de monitorar diariamente e em tempo real, o

    consumo de energia eltrica atravs de um sensor de corrente eltrica em uma indstria ou

    residncia. O prottipo dever informar ao consumidor o valor acumulado de sua conta a cada

    dia, em qualquer tempo, sem que seja necessrio ir at os medidores nem realizar clculos

    para prever o valor da conta.

    Alm do acesso instantneo s informaes relativas conta, ser possvel que oconsumidor detecte problemas de medio como defeitos no medidor do padro de energia ou

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    equipamentos consumindo a mais do que deveriam, pois, se o dispositivo acusar alto consumo

    com aparelhos eltricos desligados, pode-se ter indcio de desperdcio.

    Para que isso fosse possvel, lanou-se mo do uso de um sensor de corrente

    eltrica acoplado ao micro controlador Arduino para a medio do consumo, processamento

    dos dados e gerao de relatrios em tempo real acerca do consumo acumulado.

    1.1 FORMULAO DO PROBLEMA

    Conforme a populao aumenta, espera-se que a demanda pela energia eltricatambm aumente. A energia eltrica fundamental para a gerao de riquezas e para a

    melhoria social de uma populao. Possui grande importncia por ser um insumo bsico para

    toda a sociedade (LOUREIRO, 2009).

    De acordo com o ultimo balano energtico nacional, o consumo residencial total

    no pas representou um aumento de 5,1% entre os anos de 2008 e 2012. Ainda com os dados

    do balano, a tarifa mdia de energia eltrica no Brasil teve um aumento de 7,8% no mesmo

    intervalo (ANURIO ESTATSTICO DE ENERGIA ELTRICA, 2013).No que se refere tarifa mdia de energia eltrica industrial, o Brasil se enquadra

    na 12 posio das tarifas mais caras do mundo e para tarifas residenciais ocupa a 26 posio

    (ANURIO ESTATSTICO DE ENERGIA ELTRICA, 2013). Consequentemente, a cada

    aumento nesse setor, o consumidor deve reservar uma maior porcentagem do oramento

    mensal para as despesas com energia.

    1.2 JUSTIFICATIVA

    Diante dos constantes aumentos nas tarifas de energia eltrica, repassadas ao

    consumidor pelas concessionrias responsveis, de suma importncia que esse cliente final

    tenha acesso instantneo evoluo do valor de sua respectiva conta ao longo do ms.

    Munido dessas informaes em tempo real, o consumidor no levaria susto ao receber a conta

    no fim do ms, pois iria prever o valor conforme a evoluo do consumo.

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    Monitorando o consumo diariamente, o consumidor tambm poderia iniciar um

    racionamento em qualquer tempo se assim achar conveniente para reduzir o valor da prxima

    conta, otimizando ento o consumo no estabelecimento monitorado.

    Alm dessas vantagens, problemas de medio como defeitos no medidor,

    equipamentos consumindo energia exageradamente e desperdcios poderiam ser detectados.

    Por se tratar da elaborao de um prottipo, o presente estudo tambm se faz muito

    til ao se colocar em prtica conhecimentos em programao e eletrnica bem como conceitos

    de engenharia do produto, gesto de custos e viabilidade econmica adquiridos ao longo do

    curso de engenharia de produo.

    1.3 OBJETIVOS

    1.3.1 Objetivo Geral

    O presente trabalho visa desenvolver o prottipo de um dispositivo capaz de

    monitorar o consumo de energia eltrica em um estabelecimento qualquer com limite decorrente eltrica de at 100 ampres.

    1.3.2 Objetivos Especficos

    Desenvolver o prottipo de um dispositivo capaz de monitorar instantaneamente oconsumo dirio e cumulativo de energia eltrica;

    Colocar em prtica conhecimentos de eletrnica e programao adquiridos ao longo

    do curso de engenharia de produo;

    Adquirir conhecimentos acerca do micro controlador Arduino e sua DSL (domain

    specific language), linguagem de programao inspirada em C e C++ utilizada pela

    plataforma Arduino;

    Aprofundar os conhecimentos em circuitos e componentes eltricos direcionandoos estudos para aplicao prtica no modelo proposto.

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    1.4 ESTRUTURA DO TRABALHO

    O presente trabalho est estruturado e dividido em captulos da seguinte forma: no

    segundo captulo sero apresentados alguns conceitos prticos e tericos, alm de definies

    importantes para o trabalho desenvolvido.

    No captulo 3 so apresentadas as ferramentas escolhidas para desenvolver o

    sistema de monitoramento e a metodologia de desenvolvimento do trabalho. Os resultados do

    projeto proposto, juntamente com os testes de eficincia sero apresentados no captulo 4.

    Por fim, no captulo 5 sero apresentados os resultados e anlises do trabalho. As

    concluses e sugestes para trabalhos futuros esto disponveis no captulo 6, seguidas pelasreferncias, anexos e apndices.

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    2 FUNDAMENTAO TERICA

    Para que se compreenda toda a metodologia empregada no neste trabalho,

    importante que se apresente os vrios conceitos e definies tanto do equipamento utilizado

    quanto da teoria baseada na obteno dos resultados.

    Os conceitos sero apresentados a seguir de forma clara e objetiva, sendo

    evidenciadas as fontes utilizadas no levantamento bibliogrfico.

    2.1 CLCULO DO VALOR DA CONTA DE ENERGIA ELTRICA

    No Brasil, os mtodos de clculo da conta de energia eltrica se diferenciam de

    acordo com a concessionria de energia e a cidade em questo. Para todos os efeitos, tomou-

    se como base a forma de cobrana para baixa tenso praticada em Governador Valadares

    MG, que atendida pela CEMIG. A faixa de baixa tenso serve para clientes residenciais,

    comerciais, industriais e rurais.Na figura 2.1 e no anexo 1 possvel verificar o modelo da conta de luz utilizada

    pela CEMIG.

    Figura 2.1Conta de luz CEMIG

    Para cada companhia energtica, a ANEEL homologa constantemente a tarifa

    expressa em R$/kWh (reais por quilowatt-hora) que ir vigorar para tais companhias. Essa

    tarifa no contempla tributos e outros elementos que fazem parte das contas de luz, tais como:

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    ICMS, Taxa de Iluminao Pblica e Encargo de Capacidade Emergencial (BRASILIA,

    2014).

    O quilowatt-hora a principal varivel no clculo do valor da fatura de energia,

    pois, ela mede o efetivo consumo de energia em um perodo de tempo.

    O website da CEMIG disponibiliza detalhadamente as etapas de clculo para a

    fatura de energia eltrica. Dessa forma, o valor final X da fatura de energia de baixa tenso

    em Governador Valadares pode ser encontrado pela equao 2.1:

    X = (kWh x TA) + I P + E (2.1)

    Onde:X = Valor total da fatura

    kWh = Consumo em kWh

    TA = Tarifa homologada pela ANEEL

    IP = Contribuio para Custeio de Iluminao Pblica

    E = Encargos como multas e outras cobranas que no fazem parte do clculo

    bsico

    Atualmente, a tarifa vigente homologada pela ANEEL no ano de 2014 para aCEMIG de R$ 0,39642 por kWh conforme a figura 2.2.

    Figura 2.2Tarifa CEMIG homologada pela ANEEL

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    2.2 TENSO E CORRENTE ELTRICA

    Tenso (ou diferena de potencial) a energia necessria para mover uma unidade

    de carga atravs de um elemento; medida em volts (V) (ALEXANDER; SADIKU, 2013).

    Pode ser definida pela razo entre a quantidade de energia W medida em Joules (J) e a carga

    Q:

    V =

    Q (2.2)

    Sendo:

    V = Tenso (Volts);

    W = Energia (W);

    Q = Carga (C);

    A corrente eltrica por definio a taxa de fluxo de cargas eltricas atravs de

    uma superfcie (TIPLER; MOSCA, 2009) geralmente essa superfcie a seo transversal

    de um fio condutor. Sendo Q (medida em Coulombs) a carga que flui atravs da rea da

    seo transversal do fio no tempo t, a intensidade da corrente I medida em Ampres ser:

    I =Q

    (2.3)

    Sendo:

    I = Corrente (A);

    Q = Variao da carga (C);

    t = Tempo em segundos (s);

    2.3 ENERGIA E POTNCIA

    Energia a capacidade de realizar trabalho. medida em joules (J) ou ainda em

    watt-segundo e Potncia a variao da energia (liberada ou absorvida) em funo da

    variao do tempo, medida em watts (W) (ALEXANDER; SADIKU, 2013). Sendo assim a

    Energia consumida ou fornecida ser definida como:

    W = P t (2.4)

    Sendo:

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    W = Energia (watt);

    P = Potncia (watt por segundo ou j/s);

    t = Tempo em segundos (s);

    A potncia ser encontrada pela equao x:

    P = V I (2.5)

    Sendo:

    P = Potncia (watt por segundo ou j/s);

    V = Tenso (Volts);

    I = Corrente (A);

    A princpio, o tempo utilizado nos clculos de potncia ser expressado em

    segundos. No entanto para fins prticos, ser utilizado o Wh (watt-hora) e o kWh (quilowatt-

    hora). Portanto a energia consumida ser dada por:

    Energia(Wh) = potncia(W)x tempo(h) (2.6)

    Ou por:

    Energia(kWh) =() ()

    1000 (2.7)

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    2.4 SISTEMAS EMBARCADOS

    Para Filho (2009), os sistemas embarcados (embedded systems) so dispositivos

    que participam da nossa vida sem que os percebamos. So dedicados a uma tarefa especfica e

    interagem com o ambiente por meio de sensores e atuadores de maneira contnua e, sem

    travamentos e panes; sendo compostos, essencialmente, pelos mesmos itens de um PC:

    processador, memria, interfaces e etc.

    ..., podemos definir os sistemas embarcados como sistemas de

    processamento digital que possuem o seu prprio software de controle(firmware), armazenado em uma memria contida no seu circuito eletrnico

    (ou em um chip) e que, na atualidade, de uma forma geral, so empregados na

    maioria dos equipamentos eletrnicos...(FILHO, 2009, p.173)

    2.4.1 O ARDUINO

    Segundo Michael McRoberts, autor do livro Beginning Arduino (Arduino Bsico)

    traduzido pela editora Novatec, o Arduino (Figura 2.3) pode ser definido como uma

    plataforma de computao fsica ou embarcada, ou seja, um sistema que pode interagir com o

    ambiente atravs de hardware e software. Em termos simples o autor resume o Arduino como

    um pequeno computador que se pode programar para processar entradas e sadas entre o

    dispositivo e os componentes externos conectados a ele. Os componentes de entrada podem

    ser sensores, botes, potencimetros. Os componentes de sada podem ser displays, LEDs,

    motores, cartes de memria, entre outros.

    Figura 2.3Arduino

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    A placa Arduino UNO R3 (verso utilizada neste trabalho) composta por um

    microprocessador Atmel AVR, um cristal ou oscilador (relgio simples que envia pulsos de

    tempo em uma frequncia especificada, para permitir sua operao ne velocidade correta) e

    um regulador linear de 5 volts (MCROBERTS, 2011). Alm desse e outros componentes

    eletrnicos, a placa possui 14 entradas digitais, 6 analgicas, um boto reset para reiniciar o

    micro controlador, uma conexo USB (Universal Serial Bus) que pode ser usada como fonte

    de energia e como ponte na comunicao com um computador e um conector jack que serve

    para alimentao do Aduino com uma fonte externa.

    A figura 2.4 mostra as especificaes detalhadas da placa.

    Figura 2.4Especificaes Arduino

    Atualmente o Microcontrolador Arduino possui uma infinidade de aplicaes que

    vo desde automao completa de sistemas eltricos residenciais at a construo de robs

    controlados remotamente.

    2.4.1.1 IDE DO ARDUINO

    Para que se possa programar o Arduino, necessrio a utilizao do IDE

    (Integrated Development Environment) do Arduino, ou seja, um ambiente integrado para

    desenvolvimento de software. O IDE do Arduino um software livre no qual voc escreve o

    cdigo na linguagem que o microcontrolador compreende (baseado na linguagem C). O IDE

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    permite que se escreva um programa de computador, que um conjunto de instrues passo a

    passo, das quais pode-se fazer o upload para o Arduino. Aps isso, o Arduino executar essas

    instrues interagindo com os componentes a ele conectados (MCROBERTS, 2011). A figura

    2.5 mostra a interface do IDE do Arduino.

    Figura 2.5IDE Arduino

    Como o hardware e o software do Arduino so de fonte aberta, a tecnologia pode

    ser usada livremente por qualquer pessoa e com qualquer propsito. Sendo assim inmeras

    placas-clone de circuito impresso so encontradas no mercado na maioria das vezes com

    preos muito mais baixos do que a placa original Arduino. Essas placas genricas interagem

    perfeitamente com o IDE do Arduino e so permitidas por lei, podendo atender asnecessidades do desenvolvedor sem problema algum.

    2.4.1.2 TERA TERM PRO 3.1.3

    O Tera Term Pro 3.1.3 um programa que auxiliou na gerao de relatrios do

    advindos do Arduino. um software open-source lanado pela empresa japonesa Ayera

    Technologies que emula terminais computacionais. Um dos terminais dos computadores

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    atualmente a porta USB presente nos equipamentos e como o Arduino se comunica via porta

    USB, o Tera Term capaz de capturar as informaes transferidas via porta serial e exibi-las

    em sua interface que pode ser vista na figura 2.6.

    Figura 2.6Interface Tera Term Pro 3.1.3

    O Tera Term Pro foi escolhido para substituir a interface do Arduino devido sua

    facilidade de manipular os dados aps as medies realizadas e a capacidade de

    personalizao da interface.

    2.4.1.3 SENSOR DE CORRENTE NO INVASIVO

    Para o clculo da potncia consumida e obteno dos custos com energia ser

    utilizado um sensor de corrente no invasivo modelo SCT-013 (figura 2.7). Este sensor

    trabalha em uma escala de 0 a 100 ampres e temperaturas entre -25C e 70C segundo

    especificaes do fabricante. A tabela 2.1 mostra as especificaes detalhadas.

    Tabela 2.1Especificaes do sensor SCT-013

    Fonte: www.yhdc.com

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    Figura 2.7Sensor de corrente SCT-013

    Este modelo foi escolhido devido sua facilidade de ser clipado ao circuito de testes

    sem a necessidade de ligao entre fios. O sensor ento trabalha abraando o fio onde passa

    a corrente e enviando os dados para o micro controlador que realiza os clculos de consumo.

    A figura 2.8 mostra as caractersticas fsicas do equipamento.

    Figura 2.8Caractersticas fsicas do sensor SCT-013

    2.4.1.4 PROTOBOARD 830

    A protoboard (figura 2.9) um objeto que facilita muito a montagem de circuitos

    eletrnicos. Basicamente uma placa com 830 furos interligados verticalmente nas duas

    divises internas e horizontalmente nas duas divises externas. As caractersticas do modelo

    utilizado so 165(A) x 54(L) x 10(P)mm e massa de 103g. Possui suporte a tenso mxima de

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    300V RMS e corrente mxima de 3A RMS. A figura 2.8 ilustra imagem da protoboard

    utilizada.

    Figura 2.9Protoboard 830

    2.5 ENGENHARIA DO PRODUTO

    Uma das reas da engenharia de produo a engenharia do produto. Segundo a

    ABEPRO (Associao Brasileira de Engenharia de Produo). Essa rea compreende um

    conjunto de ferramentas e processos de projeto, planejamento, organizao, deciso eexecuo envolvidas nas atividades estratgicas e operacionais de desenvolvimento de novos

    produtos, abrangendo desde a concepo at o lanamento do produto e sua retirada do

    mercado com a participao das diversas reas funcionais da empresa (ABEPRO, 2014).

    Para Menegon (1998), o engenheiro de produo deve estar preparado para

    compreender a natureza das atividades que possa vir a gerenciar. Essas atividades podem estar

    atreladas ao desenvolvimento de novos produtos que visem soluo de problemas da

    sociedade.

    Apesar de o presente trabalho no objetivar desenvolver um produto final e sim

    um prottipo, a estratgia para se obter tal resultado foi baseada na bibliografia relacionada

    engenharia de produto, que tambm leva em considerao a metodologia para se criar

    prottipos.

    2.6 PLANEJAMENTO DO PRODUTO

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    Para que se desenvolva um novo projeto, as atividades devem ser bem pensadas e

    organizadas. A figura 2.10 representa um esquema de fluxo das atividades para o

    desenvolvimento de um produto que nortearam o presente trabalho. Tal metodologia foi

    proposta por Baxter (2012) que tambm classifica essas atividades em quatro etapas

    principais:

    1) Ideias preliminares. Logo no incio do processo de desenvolvimento do projeto, ideias

    so exploradas para um primeiro teste de mercado. Nesta etapa, o produto pode ser

    apresentado na forma de um simples desenho de apresentao, para ento ser

    mostrado a um grupo de potenciais consumidores ou vendedores. Sendo aprovado ele

    passa para a segunda etapa.

    2)

    Especificaes. A segunda etapa comporta a especificao da oportunidade,especificao do projeto, e volta-se, ento, para o projeto conceitual, para selecionar o

    melhor contedo.

    3) Configuraes. O conceito selecionado submetido a um segundo teste de mercado,

    iniciando a terceira etapa. Se o novo teste de mercado tambm for satisfatrio, devero

    ser iniciadas as atividades de configurao do produto. Geralmente se descobrem

    alternativas de projeto que no foram relevantes anteriormente ou alguma mudana

    tcnica efetuada seja em materiais ou processos de fabricao. Essa etapa pode levarao retrocesso de uma ou duas etapas para se verificar os efeitos da mudana. Caso a

    mudana afete um aspecto-chave, necessrio retroceder para revisar a especificao

    de oportunidade. Consequentemente isso pode implicar em revises da especificao

    do projeto e do projeto conceitual. Chegando-se novamente configurao do

    produto, o melhor escolhido e ir para um terceiro teste de mercado.

    4) Produo. Sendo aprovado, passa-se para os desenhos detalhados e construo do

    prottipo. A aprovao oficial desse prottipo encerra o processo dedesenvolvimento de produto.

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    Figura 2.10Esquema de fluxo de atividades de Baxter

    2.7 CRIANDO NOVOS PRODUTOS INOVADORES

    Baxter (2012) afirma que a busca por inovao cresceu muito nos ltimos tempos

    e isso ocorreu devido lanamentos de produtos globalizados e aumento da presso

    competitiva que vem do exterior.

    De acordo com Filho (2009), novos produtos surgem quando h necessidades

    ainda no satisfeitas, seja porque os produtos atualmente disponveis no conseguem

    satisfaz-las, seja porque, simplesmente, produtos com tal capacidade ainda no foram

    criados. Sendo assim, profissionais capacitados ou mesmo projetistas amadores podem s

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    vezes buscar uma soluo. No entanto, muitas vezes esta soluo custa caro, oferece riscos e

    podem at agravar a situao do usurio quando os conhecimentos tcnicos no so

    suficientes.

    Nesse mbito de incerteza: o segredo de uma inovao bem-sucedida a gerncia

    de riscos (BAXTER, pag. 18, 2012).

    3 METODOLOGIA

    O presente trabalho aplica conhecimentos de vrias reas da engenharia de forma

    prtica, levantando dados, problemas e apresentando soluo. Desta forma a modalidade de

    pesquisa mais adequada para o presente trabalho a modalidade aplicada.

    3.1 CLASSIFICAO DA PESQUISA

    A pesquisa em questo classifica-se conforme:

    rea da cincia: Pesquisa prtica;

    natureza: trabalho cientfico original;

    Aos objetivos: exploratria;

    Ao objeto: Bibliogrfica;

    forma de abordagem: Pesquisa quantitativa.

    A classificao para a pesquisa no que se refere rea da cincia a pesquisaprtica, pois os conhecimentos adquiridos so utilizados para aplicao prtica voltada para a

    soluo de problemas sociais.

    Quanto natureza, o trabalho se enquadra como um trabalho cientfico original

    baseado em vrios outros trabalhos j realizados com objetivos diferentes.

    A pesquisa exploratria se d pela caracterizao inicial do problema,

    caracterizao e definio.

    A pesquisa bibliogrfica toma como base inmeros trabalhos j realizados e queservem para nortear novas pesquisas em desenvolvimento.

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    Por ultimo, a pesquisa quantitativa exibe os dados obtidos e os transforma em

    informao til para o autor.

    4 APRESENTAO DO MODELO PROPOSTO

    O modelo proposto pode ser mais bem entendido observando-se a figura 4.1.

    Basicamente o sistema funciona da seguinte forma: os sensores de corrente e de vazo colhem

    os dados aps o medidor de luz e hidrmetro respectivamente. Estes dados so enviados para

    o Arduino onde sero processados, transformados em informaes e sero exibidas no

    computador.

    Figura 4.1Esquema do modelo proposto

    4.1 DESCRIO DAS ETAPAS DE DESENVOLVIMENTO

    A seguir sero descritas todas as etapas que contriburam para a execuo do

    projeto.

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    4.1.1 AQUISIO DOS EQUIPAMENTOS E COMPONENTES

    Inicialmente foram adquiridos todos os componentes eletrnicos necessrios para a

    concepo do modelo. Buscou-se a compra dos materiais de menor custo em vrias lojas

    especializadas da internet e de Governador Valadares visando viabilidade econmica do

    trabalho. Dessa forma, obteve-se um oramento relativamente baixo para se desenvolver um

    prottipo (ver tabela 4.1).

    Tabela 4.1Custos do projeto

    ITEM QTDE PREOVALORFRETE

    TOTAL PORITEM

    SENSOR DE CORRENTE SCT-

    013 1 R$ 59,00 R$ 10,00 R$ 69,00

    ARDUINO 1 R$ 52,00 R$ 0,00 R$ 52,00

    FIOS JUMPER 80 R$ 0,13 R$ 7,27 R$ 17,35

    RESISTORES 20 R$ 0,10 R$ 0,00 R$ 2,00

    CAPACITORES 5 R$ 1,00 R$ 0,00 R$ 5,00

    PROTOBOARD 830 FUROS 1 R$ 25,00 R$ 7,95 R$ 32,95

    TOTAL R$ 178,30

    Fonte: Autor

    4.1.2 TESTES E CALIBRAO DO SENSOR

    Aps a compra de todo o equipamento, foi necessria a calibrao do sensor para

    que a medio fosse eficaz. Aps a calibrao, testes foram realizados para se verificar a

    eficcia do sistema. O fabricante do sensor fornece os cdigos-fonte para serem programados

    no Arduino (anexo 2), no entanto pode haver divergncias entre o fluxo real corrente eltrica

    e o que est sendo medido, devidas interferncias externas, incompatibilidade de cdigos ou

    mesmo variaes na fabricao.

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    4.1.2.1 TESTE DE TENSO

    A tenso que o cliente CEMIG contrata de 127 V ou 220 V, no entanto com a

    estrutura e recursos disponveis atualmente, impossvel para a CEMIG fornecer para cada

    residncia uma tenso exata e sem variaes. Portanto a ANEEL com o respaldo da

    PORTARIA DNAEE N 047, DE 17 DE ABRIL DE 1978 permite que se tenha um limite de

    variao de tenso nominal de 5% para mais ou para menos para cada cliente.

    Para a programao desenvolvida neste trabalho, o ideal seria se a tenso fosse

    fixa e sem variaes, pois os clculos do consumo so realizados de acordo com um valor de

    tenso previamente determinado. Como isso no possvel, a tenso real fornecida para aresidncia utilizada foi medida ao longo de um dia e o valor da moda dos dados foi utilizado

    no cdigo-fonte. Sendo assim, o valor de tenso inserido no cdigo-fonte para a realizao

    dos clculos de consumo foi de 127,5 V conforme registro fotogrfico na figura 4.2.

    Figura 4.2Valor real de tenso fornecida para a residncia.

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    4.1.2.2 CALIBRAO DO SENSOR DE CORRENTE

    Para a calibrao do sensor de corrente, foi montado um circuito e um cdigo de

    programao com apenas esse sensor conectado ao Arduino (ver figura 4.3). O cdigo-fonte

    utilizado foi o do fabricante, porm com as alteraes da faixa de tenso. Efetuou-se ento a

    medio de potncia e corrente consumidas por uma lmpada de 60W. A corrente tambm

    foi medida atravs de um multmetro simultaneamente.

    Figura 4.3Teste com lmpada de 60W.

    4.1.2.3 TESTE LMPADA DE 60 W

    Inicialmente, a medio estava bastante discrepante da medio do multmetro,

    considerado confivel. Mas aps alteraes no cdigo-fonte e nos parmetros de calibrao,

    foi possvel uma aproximao bastante satisfatria.

    Como pode ser observado na figura 4.4, o sensor de corrente apresentava uma

    medio bastante aproximada do multmetro.

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    Figura 4.4Teste com lmpada de 60W.

    4.1.2.4 TESTE FERRO DE PASSAR DE 1200 W

    Para comprovar a eficcia do sistema, efetuou-se tambm a medio de potncia e

    corrente em um ferro de passar de 1200W. Apesar das oscilaes, o sensor se aproximou

    bastante da medio de corrente realizada pelo multmetro, no entanto a potncia medida

    ficou abaixo dos 1200W descritos na embalagem do aparelho.

    importante salientar que os aparelhos eletrnicos domsticos, principalmente os

    que tm finalidade de resistncia trmica, geralmente no consomem a potncia exata de

    acordo com sua descrio por vrias causas. Entre estas causas podem estar variaes na

    fabricao e arredondamento de valor de potncia para fins comerciais.

    Isso foi comprovado na medio de potncia do ferro de passar, pois a corrente e a

    tenso se mantiveram estveis no momento da medio da potncia conforme figura 4.5.

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    Figura 4.5Teste com ferro de passar 1200W.

    4.1.3 CDIGO-FONTE PARA CLCULOS DE CONSUMO

    Realizados os testes necessrios, verificou-se que o sensor no possui uma

    preciso extremamente exata, mas que atende aos propsitos deste trabalho, pois objetiva uma

    previso estimada e no exata do consumo acumulado de energia.

    Aps os testes individuais do sensor, foi elaborado um novo cdigo-fonte

    (Apndice 2). Nesse novo cdigo as equaes para os clculos dos valores monetrios do

    consumo acumulado foram incorporadas. O novo cdigo desenvolvido retorna, em tempo

    real, o valor da corrente, a potncia, o consumo acumulado em kWh, o tempo de medio e o

    preo acumulado da conta de luz a cada segundo, mas sem a incidncia dos impostos

    municipais cobrados na conta ou multas, pois, estes variam entre cidades e clientes.

    A figura 4.6 mostra o relatrio gerado instantaneamente pelo Arduino atravs do

    Tera Term PRO com o sistema instalado.

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    Figura 4.6Interface do sistema (Tera Term PRO)

    5 RESULTADOS E ANLISES

    Para a fase final do projeto, era necessrio que o prottipo fosse testado em um

    ambiente real, monitorando seu consumo em um perodo previamente determinado. Devido

    facilidade de aplicao e segurana, foi escolhido o ambiente residencial ao invs de uma

    indstria. A residncia escolhida j possua o medidor de luz analgico e o mesmo foi

    utilizado para fins de comparao entre sua respectiva leitura e a leitura alcanada pelo

    prottipo.

    Dessa forma, no foi necessrio que o sensor ficasse instalado por um ms na

    residncia, bastava-se que o prottipo funcionasse paralelamente com o medidor da casa porum perodo determinado e que suas medies fossem comparadas.

    Sendo assim, o sensor foi instalado na residncia e a medio foi computada pelo

    perodo de 24 horas. A medio se iniciou s 17:00 horas do dia 29/10/2014 e se encerrou s

    17:00 horas do dia 30/10/2014.

    Ao incio da medio, o medidor analgico marcava o nmero 59153 conforme

    mostra a figura 5.1.

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    Figura 5.1Incio da medio (medidor analgico)

    Este nmero representa o ponto inicial da medio, ou seja, o ponto zero. J na

    figura 5.2, o medidor analgico apontava o nmero 59159. Este nmero representa o ponto

    final da medio que a posio dos ponteiros ao final das 24 horas.

    Figura 5.2Final da medio (medidor analgico)

    Subtraindo o segundo nmero pelo primeiro teremos 5. Este valor representa a

    quantidade de kWh consumidos no perodo de 24 horas de medio. Como os medidores so

    analgicos as casas decimais do consumo no so mostradas. Para que este consumo fosse

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    considerado, levou-se em considerao que o ultimo ponteiro ultrapassou 60% do espao

    entre os nmeros 3 e 4, ou seja, o consumo aps o nmero 3 foi de 60% de 1 kWh.

    Portanto, o consumo no perodo de 24 horas calculado pelo medidor da residncia

    foi de 5,6 kWh. Se multiplicarmos esse valor de consumo pela tarifa energtica homologada

    para a CEMIG pela ANEEL, encontraremos o preo que deve ser pago por esse consumo que

    foi de R$ 2,2199.

    Aps o perodo de medio, o monitoramento feito pelo Arduino foi interrompido

    e os dados foram colhidos para serem analisados. Estes dados foram transferidos para uma

    planilha eletrnica e a partir da tabela gerada, foram gerados dois grficos. O grfico 5.1

    mostra a evoluo do consumo em kWh e o grfico 5.2 mostra a potncia consumida ao longo

    do tempo.

    Grfico 5.1Evoluo do consumo (kWh)

    5,45

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    0 2 3 5 7 9 10 12 14 15 17 19 21 22 24

    Tempo de Medio

    kWh

    kWh

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    42

    Grfico 5.2Consumo instantneo de potncia

    O consumo medido pelo Arduino foi de 5,45 kWh. Multiplicando esse valor pela

    mesma tarifa anteriormente utilizada chegou-se ao preo de R$ 2,16. Esse valor divergiu dos

    valores calculados atravs do medidor analgico em 2,67%.Acredita-se que as divergncias entre as duas medies possam ter vrias causas e

    a principal delas sejam as oscilaes da tenso fornecida. Como o Arduino nesse projeto

    trabalha com um valor fixo de tenso, essa oscilao afeta diretamente os clculos efetuados

    pelo micro controlador.

    Outras causas podem ser atraso nos clculos da funo loop do Arduino, erro de

    paralaxe do medidor analgico e erros de aproximao de casas decimais. De qualquer

    maneira o dispositivo e cdigo desenvolvidos mostraram uma eficincia bastante satisfatriapara os objetivos deste trabalho.

    0

    500

    1000

    1500

    2000

    2500

    0 2 3 5 7 9 10 12 14 15 17 19 21 22 24

    Tempo de Medio

    POTNCIA

    POTNCIA

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    6 CONCLUSO

    Ao incio da elaborao deste trabalho encontraram-se diversos desafios a serem

    superados. O maior deles foi a correta comunicao entre o sensor de corrente SCT-013 e o

    Arduino, pois so de fabricantes diferentes. No entanto, medida que as dificuldades foram

    sanadas o projeto se tornou muito prazeroso em ser desenvolvido.

    As indstrias cada vez mais buscam uma melhor gesto e otimizao dos seus

    custos e com o cidado brasileiro no diferente. A cada dia em que os custos com energia

    sobem, novas medidas de economia so adotadas e um dispositivo como este auxiliaria

    bastante o gestor a ter um melhor controle sobre sua despesa com energia.

    A central de monitoramento aqui desenvolvida a materializao de uma ideia que

    pode vir a se tornar um produto inovador e prtico para indstrias e residncias. No que se

    refere s divergncias de medio, aceitvel que o dispositivo no atinja sua forma final,

    pois se trata de um primeiro prottipo.

    Por fim, demonstrou-se que o trabalho realizado atingiu seus objetivos, pois foi

    possvel monitorar o custo e consumo de energia de forma prtica e instantnea, fazendo o

    melhor uso possvel dos recursos e componentes disponveis.

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    6.2 RECOMENDAES

    Como proposta de melhoria para o projeto at aqui desenvolvido, sugere-se que o

    prottipo seja incrementado de uma interface mais moderna para a percepo do usurio.

    Uma interface que apresente outras informaes e permita a interao com o usurio seria

    bastante proveitosa.

    Outros avanos que tornariam o projeto ainda mais vivel seriam a aplicao de

    um sensor de vazo para medir tambm o consumo de gua e o uso de tecnologias sem fio

    como wifie bluetoothpara eliminar os fios provenientes da instalao do dispositivo.

    Alm disso, vrios aperfeioamentos na programao e nos componentes podemser realizados a fim de se obter uma medio com mais preciso.

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    ANEXOS

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    ANEXO 1FATURA DE ENERGIA ELTRICA CEMIG 2014

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    ANEXO 2CDIGO DO FORNECEDOR PARA O SENSOR SCT-013

    #include "EmonLib.h" // Include Emon LibraryEnergyMonitor emon1; // Create an instance

    void setup()

    {

    Serial.begin(9600);

    emon1.current(5, 60); // Current: input pin, calibration.//calibration is explained bellow

    }

    void loop()

    {

    double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calculate Irms only

    Serial.print(Irms*230.0); // Apparent powerSerial.print(" ");Serial.println(Irms); // Irms

    }

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    APNDICES

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    APNDICE 1CDIGO DE CALIBRAO DO SENSOR

    #include "EmonLib.h" // Adio da bibliotecaEnergyMonitor emon1; // Criar instncia

    void setup()

    {

    Serial.begin(9600);

    emon1.current(1, 60.3); // Definio de pino de entrada e parmetro de calibrao

    }

    void loop()

    {

    double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Clculo da corrente

    Serial.print(Irms*129); // Potncia aparenteSerial.print(" WATTS ");Serial.print(Irms); // CorrenteSerial.println(" AMPERES");

    }

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    APNDICE 2CDIGO FINAL PARA MONITORAMENTO

    #include "EmonLib.h" // Inclui bibliotecaEnergyMonitor emon1; // Cria instncia

    double corrente=0; //Varivel que recebe o valor da correntedouble potencia=0; //Varivel que recebe o valor da potenciadouble kwh_consumido=0; //Varivel que recebe o valor de Kw/h consumidodouble tensao=127; //Varivel para armazenas o valor da tenso fornecidadouble valor_conta=0; //Varivel que armazena o valor da conta em R$unsigned long tempo=0; //Tempo de medioint i = 0;int x = 0;float tempo_medicao;

    void setup()

    {Serial.begin(9600); //Inicia a serial com um baud rate de 9600 taxa de transferncia

    emon1.current(2, 57); // Funo de calibrao da corrente recebida. Current:input pin, calibration.

    Serial.println("\n\n---------------SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CONSUMO--------------\n\n"); //Imprime Inicio na serial

    }

    void loop ()

    {

    corrente = emon1.Irms; // Atribui o valor da corrente para a varivel

    Serial.read();

    double Irms = emon1.calcIrms(1480); // Calcula corrente

    potencia = corrente*127.2;kwh_consumido = (kwh_consumido+(potencia/3600000));tempo = millis();tempo = tempo/1000;

    tempo_medicao=tempo*0.000277777778;

    i++;

    valor_conta = (kwh_consumido*0.39642);

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    if(i==60){

    valor_conta = (kwh_consumido*0.39642);

    Serial.print(corrente); // IrmsSerial.print(" AMPERES ");Serial.print(potencia); // Apparent powerSerial.print(" WATTS ");Serial.print(kwh_consumido);Serial.print(" Kw/h ");Serial.print("R$ ");Serial.print(valor_conta);Serial.print(" ");Serial.print(tempo_medicao);

    Serial.println(" Horas");

    i=0;

    valor_conta = 0;}

    delay(1000);}