Projeto - Aquecedor de água com controle ON-OFF

Esta proposta de projeto consiste em um simples sistema de controle de temperatura do tipo ON-OFF, que pode ser implementado utilizando qualquer microcontrolador. O objetivo deste sistema de controle é aquecer um liquido, como água, mantendo sua temperatura próxima a um valor pré-determinado (um set-point).

Os materiais necessários para este projeto são os seguintes:

• Uma placa de desenvolvimento baseada em um microcontrolador ou um SoC (Ex: Arduino Uno, Raspberry Pi, STM32 Blue Pill, ESP32 DevKit, etc);

• Um ebulidor portátil;

• Um módulo de relé;

• Um sensor de temperatura DS18B20.

Nas próximas seções deste artigo, as partes do projeto, bem como a programação do controlador, serão explicadas.

Ebulidor

Exemplo de ebulidor

Um ebulidor é um aquecedor de água portátil. Normalmente é um equipamento simples, robusto e de fácil uso - basta colocá-lo em um copo d'água e ligá-lo na tomada. Como o próprio nome diz, o aquecimento proveniente do ebulidor é suficiente para fazer a água entrar em ebulição em alguns minutos ou segundos após o equipamento ser ligado.

Para ligar ou desligar o ebulidor automaticamente com comandos elétricos de baixa tensão, é necessário utilizar um relé. Um relé é um dispositivo eletromecânico que consiste em um interruptor controlado por uma bobina. Quando a bobina é energizada, o campo magnético produzido por esta faz com que o interruptor mude de posição. O interruptor deste relé deve ser conectado ao cabo de alimentação do ebulidor, ligação esta que pode ser feita de duas formas: cortando o cabo (o que presume que o equipamento precisará ser danificado para que o projeto possa ser executado), ou utilizando uma extensão com relé (o que elimina a necessidade de danificar o ebulidor, mas aumenta o custo do projeto).

Relés são componentes baratos, fáceis de usar e também fáceis de achar. No entanto, não é correto conectar os terminais de uma bobina diretamente às saídas digitais de um microcontrolador, pois estas saídas são de baixa potência e podem ser danificadas pelas altas correntes e também por eventuais variações de tensão produzidas pela bobina. Ao invés disso, o ideal é utilizar um circuito eletrônico de intermédio entre a bobina do relé e a saída digital do microcontrolador. Existem diversos módulos de relé no mercado que já vêm com este circuito eletrônico de intermédio.

Exemplo de módulo de relé para microcontroladores

Sensor de temperatura DS18B20

O DS18B20 é um sensor digital de temperatura que pode ser submerso em água e que suporta temperaturas de -55ºC a 125ºC. Este sensor possui três terminais: um GND, um VCC (3V a 5.5V) e um terminal de dados com comunicação do tipo One Wire. Com o SDK Arduino Core, é possível ler facilmente os dados deste sensor através das bibliotecas OneWire e DallasTemperature.

Foto do sensor DS18B20

Programação

Neste projeto, utiliza-se a técnica de controle ON-OFF para manter a temperatura da água próxima a uma temperatura pré-definida entre a temperatura ambiente e o ponto de ebulição da água. A técnica ON-OFF, neste caso, é uma abordagem de fácil implementação que consiste em ligar e desligar o ebulidor periodicamente para manter a temperatura da água dentro de um intervalo aceitável em torno da temperatura desejada.

Antes de partir para a explicação sobre a programação do controle ON-OFF, é necessário abordar o significado de algumas palavras-chave de controle:

• Controlador - é o "cérebro" do sistema de controle, responsável por fazer a leitura dos sensores e controlar os atuadores.

• Variável controlada - é uma grandeza física que precisa ser mantida em torno de um valor desejado. No caso deste projeto, a variável controlada é a temperatura da água.

• Set-point - é um valor no qual deseja-se manter a variável controlada.

• Variável manipulada - é o parâmetro manipulado pelo controlador para manter a variável controlada próxima ao set-point. Neste projeto, a variável manipulada é o estado do ebulidor (ON ou OFF).

Em controle ON-OFF existe também a histerese, que é uma tolerância de oscilação da variável controlada em torno do set-point.

O fluxograma a seguir mostra a lógica do programa que deve ser implementado.

Fluxograma do programa

O pseudocódigo a seguir mostra esta mesma lógica de programa utilizando uma estrutura similar à do Arduino Core.

void init()
{
    if( get_water_temperature() < get_setpoint() )
    {
        set_heater_state(ON);
    }
    else
    {
        set_heater_state(OFF);
    }
}

void loop()
{
    float wt = get_water_temperature();
    float sp = get_setpoint();
    float h = get_hysteresis();
    
    if( get_heater_state() == ON && wt >= sp + h/2 )
    {
        set_heater_state(OFF);
    }
    
    if( get_heater_state() == OFF && wt <= sp - h/2 )
    {
        set_heater_state(ON);
    }
}

De forma abstrata, a lógica apresentada acima pode ser descrita da seguinte maneira: quando o controlador é ligado, verifica-se se a temperatura da água é menor do que o set-point. Se sim, o ebulidor é ligado, e se não, o ebulidor permanece desligado. Após esta primeira etapa, o programa entra em um loop infinito, executando os seguintes comandos periodicamente:

• Se o sistema está em modo de aquecimento (ebulidor ligado) e o limite máximo de temperatura permitido pelo sistema, definido como $T_{sp}+\frac{H}{2}$, foi atingido, o sistema entra em modo de resfriamento (ebulidor desligado).

• Se o sistema está em modo de resfriamento (ebulidor desligado) e o limite mínimo de temperatura permitido pelo sistema, definido como $T_{sp}-\frac{H}{2}$, foi atingido, o sistema entra em modo de aquecimento (ebulidor ligado).

É extremamente recomendável que se adicione algum tipo de display ao projeto para que seja possível monitorar a temperatura da água em tempo real. Isto facilita o diagnóstico de eventuais falhas e erros de programação.

Leitura adicional recomendada

• THOMSEN, A. Temperatura debaixo d’água com sensor de temperatura DS18B20. Disponível em: <https://www.filipeflop.com/blog/sensor-de-temperatura-ds18b20-arduino/>.

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