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Universidade Estadual de Londrina Centro de Tecnologia e Urbanismo Departamento de Engenharia Elétrica Giuliano Galhardi Motter Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação Londrina 2018

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Page 1: Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo ... · tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual

Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e Urbanismo

Departamento de Engenharia Elétrica

Giuliano Galhardi Motter

Colheita de Energia: Protótipo de um MóduloEnergeticamente Autônomo para Aplicações de

Instrumentação

Londrina2018

Page 2: Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo ... · tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Giuliano Galhardi Motter

Colheita de Energia: Protótipo de um MóduloEnergeticamente Autônomo para Aplicações de

Instrumentação

Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Profª. Drª. MariaBernadete de Morais França intitulado “Colheita de Energia: Pro-tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicaçõesde Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual de Lon-drina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Tí-tulo de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Profª. Drª. Maria Bernadete de Morais França

Londrina2018

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Ficha Catalográfica

Giuliano Galhardi Motter

Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para

Aplicações de Instrumentação - Londrina, 2018 - 73 p., 30 cm.

Orientador: Profª. Drª. Maria Bernadete de Morais França

1. Engenharia Elétrica. 2. Colheita de Energia. 3. Baixo Consumo. 4. Micro-

controlador. 5. Medidas Elétricas. 6.Sistemas Eletrônicos de Medida e Controle

I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Co-

lheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para

Aplicações de Instrumentação.

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Giuliano Galhardi Motter

Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo

Energeticamente Autônomo para Aplicações de

Instrumentação

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de

Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,

como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel

em Engenharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Profª. Drª. Maria Bernadete de MoraisFrança

Universidade Estadual de LondrinaOrientador

Prof. Dr. José Alexandre de FrançaUniversidade Estadual de Londrina

Prof. Me. Giancarlo Michelino Gaeta LopesUniversidade Pitágoras Unopar

Londrina, 1 de fevereiro de 2018

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Agradecimentos

Agradeço primeiramente a minha família, Adelar, Denise e Vittoria, os quais sempre

me deram forças, apoiaram e ajudaram a tomar decisões na minha vida. Sem vocês eu não

teria chegado a lugar nenhum.

Sou também muito grato aos meus avós José Antonio e Sublime, os quais sempre tor-

ceram e rezaram por mim e me servem de inspiração.

Agradeço a minha namorada e amiga, Isabela, pela compaixão nos momentos difíceis e

por me ajudar a recarregar as energias e também a tomar decisões durante períodos com-

plicados da minha vida acadêmica e também pessoal. Você tornou essa fase da minha vida

mais leve e mais bela.

Sou imensamente grato aos amigos de longa data João Cruciol, Daniel Lopes e Giovana

Souza. Amigos desde antes da época da faculdade e que espero levar para sempre. Vocês

foram indispensáveis em tornar a minha experiência universitária muito melhor.

Aos amigos de curso, mais especificamente ao grupo que apelidamos como "Galeri-

nha", vocês foram primordiais na minha caminhada. Eu com certeza teria desistido se não

fosse o apoio de vocês em momentos de dificuldade com disciplinas. Vocês podem não

saber o que fizeram por mim, ou o significado de suas ações e o quanto elas influenciaram

na minha vida, mas podem ter certeza que fizeram toda a diferença e eu os lembrarei para

sempre.

Aos irmãos que encontrei na Bateria Demônios da Lagoa. Vocês fizeram com que meus

últimos (e mais longos) anos da faculdade fossem infinitamente melhores. Foi a fase mais

difícil da faculdade, mas eu queria que durasse mais, por causa de vocês. Por cada ensaio,

por cada apresentação, por cada reunião, Muito Obrigado.

Aos colegas de banda, Tomy, Marcelo e Ruan, que ajudaram a tornar possível um sonho.

Eu vou poder dizer aos meus filhos que tinha uma banda que tocava nas festas da faculdade

graças a vocês. Espero que possamos continuar nosso projeto.

Aos técnicos de laboratório do DEEL Luis Carlos Mathias e Luiz Schmidt pelos incon-

táveis serviços prestados sempre de boa vontade. Nos meus cinco anos de UEL nunca se

negaram a ajudar, tirar dúvidas, propor ideias para resolver problemas.

Finalmente, agradeço a professora, amiga e orientadora, Maria Bernadete, por me dar

a oportunidade de trabalhar no laboratório LA2I durante mais de 1 ano, onde aprendi e me

desenvolvi não somente no âmbito da engenharia, mas também pessoalmente.

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Motter, Giuliano Galhardi. Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energetica-

mente Autônomo para Aplicações de Instrumentação. 2018. 73 p. Trabalho de Conclusão

de Curso em Engenharia Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.

ResumoCresce o número de sistemas utilizados para medição de grandezas físicas que tem apli-

cações que vão desde agricultura até biomedicina. Esse tipo de equipamento apresenta a

necessidade de autonomia energética, e com este intuito são implementadas técnicas de

colheita de energia. Este trabalho apresenta um estudo sobre colheita de energia e algu-

mas de suas técnicas tais como a colheita de energia solar, eólica, térmica e piezoelétrica.

Ademais, é proposta a implementação de um sistema autônomo energeticamente através

da colheita de energia fotovoltaica. O sistema desenvolvido é composto por uma placa de

controle e um microcontrolador, responsáveis por gerenciar a energia entre o painel solar

e a bateria do sistema. Os resultados obtidos comprovaram que o software desenvolvido é

eficiente energeticamente e também que a gestão da energia foi realizada de acordo com

o planejado.

Palavras-Chave: 1. Engenharia Elétrica. 2. Colheita de Energia. 3. Baixo Consumo. 4.

Microcontrolador. 5. Medidas Elétricas. 6.Sistemas Eletrônicos de Medida e Controle

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Motter, Giuliano Galhardi. Energy Harvesting: Prototype of an Energetically Autono-

mous Module for Instrumentation Applications. 2018. 73 p. Monograph in Electrical

Engineering - Londrina State University, Londrina.

AbstractThe number of systems used to measure physical quantities that has applications ranging

from agriculture to biomedicine grows. This type of equipment presents the need for en-

ergy autonomy, and for this purpose energy harvesting techniques are implemented. This

paper presents a study on energy harvesting and some of its techniques such as solar, wind,

thermal and piezoelectric energy harvesting. In addition, it is proposed the implementa-

tion of an energetically autonomous system through the harvest of photovoltaic energy.

The developed system consists of a control board and a microcontroller, responsible for

managing the energy between the solar panel and the system battery. The obtained results

proved that the developed software is energy efficient and also that the energy manage-

ment was carried out according to the planned.

Key-words: 1. Electrical Engineering. 2. Energy Harvesting. 3. Low Power. 4. Microcon-

troller. 5. Electrical Measures. 6.Electronic Measurement and Control Systems

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Lista de ilustrações

Figura 2.1 – Efeito Fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura 2.2 – Esquema interno de um TEG e seu equivalente elétrico. . . . . . . . . . . . . . 20

Figura 2.3 – Esquema ilustrativo de um gerador de corrente alternada. . . . . . . . . . . . 22

Figura 2.4 – Esquema de sistema utilizando PEH, e equivalente elétrico para um Ge-

rador Piezoelétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura 2.5 – Curva genérica de carga de descarga de uma Bateria de NiMH. . . . . . . . . 26

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de Colheita de Energia Desenvolvido. . . . 28

Figura 3.2 – Painel Fotovoltaico utilizado como elemento conversor de energia do sis-

tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Figura 3.3 – Pilha AA recarregável de NiMH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 3.4 – Placa de desenvolvimento Stellaris LM4F120H5QR com seus principais

componentes e conectores ressaltados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 3.5 – Conector para o Painel Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 3.6 – Chave lógica SW1, posicionada entre o painel solar e a bateria do sistema. 34

Figura 3.7 – Conector para a o elemento armazenador de energia do sistema. . . . . . . 34

Figura 3.8 – Regulador de tensão LP3961-5V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Figura 3.9 – Conector USB fêmea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Figura 3.10–Chave lógica SW2, posicionada entre a saída do regulador de tensão e o

conector para a carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Figura 3.11–Conector para a Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Figura 3.12–Comparador de tensão COMP1, para Painel Fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . 37

Figura 3.13–Comparador de tensão COMP2, para o conjunto de pilhas. . . . . . . . . . . . 38

Figura 3.14–Conector para Kit de Desenvolvimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

Figura 3.15–Característica do sensor de Temperatura Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Figura 4.1 – Roteamento da placa de circuito impresso do sistema de controle desen-

volvida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Figura 4.2 – Simulação 3D da placa de circuito impresso do sistema de controle de-

senvolvida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 4.3 – Placa de controle com todos os componentes soldados. . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 4.4 – Conjunto de 5 pilhas soldadas em série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 4.5 – Fluxograma da função Main() do software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura 4.6 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do Painel Fotovol-

taico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

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Figura 4.7 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do conjunto de Pi-

lhas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura 4.8 – Fluxograma da interrupção do Timer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura 4.9 – Caixa desenvolvida como parte estrutural do sistema. . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 4.10–Caixa finalizada com todos os elementos do sistema conectados e funci-

onando no seu interior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 4.11–Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funci-

onamento para software por interrupções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Figura 4.12–Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funci-

onamento para software por pooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

Figura 4.13–Comparação da temperatura interna do microcontrolador durante 10

minutos de funcionamento para software por interrupções (verde) e soft-

ware por pooling (azul). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

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Lista de tabelas

Tabela 1 – Lógica de acionamento das chaves baseado nos níveis de tensão no pai-

nel solar e baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Tabela 2 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto

utilizando software com método de interrupções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

Tabela 3 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto

utilizando software com método de pooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

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Lista de Siglas e Abreviaturas

AC Alternate Current

ADC Analog-to-Digital Converters

AMPOP Amplificador Operacional

ARM Advanced RISC Machine

COMP Comparador

DC Direct Current

EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory

EH Energy Harvesting

EODV End of Discharge Voltage

GPIO General-Purpose Input/Outputs

IDE Integrated development environment

LED Light Emitting Diode

MPPT Maximum Power Point Tracking

MPV Mid Point Voltage

NICD Níquel Cádmio

NIMH Níquel Metal Hidreto

NVIC Nested Vectored Interrupt Controller

PCI Placa de Circuito Impresso

PEH Piezoelectric Energy Harvesting

PTAT Proportional to Absolute Temperature

PVEH Photovoltaic Energy Harvesting

SW Switch

TEC Thermoelectric Coolers

TEG Thermoelectric Generators

TIM Timer

USB Universal Serial Bus

WEH Wind Energy Harvesting

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Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.3 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.4 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.1 Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2 Tipos de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Colheita de Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.2 Colheita de Energia Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.3 Colheita de Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.4 Colheita de Energia Piezoelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3 Os Sistemas de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4 Pilhas recarregáveis de Níquel Metal Hidreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.1 Proposta para um Sistema de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2 Elemento Conversor de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3 Elemento Armazenador de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.4 Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4.2 Placa de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5 Algoritmo de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.6 Aplicação Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.7 Metodologia de Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.8 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.3 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.4 Resultados do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

4.5 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

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5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

6 APÊNDICE A - CÓDIGO MAIN - MÉTODO DE INTERRUPÇÕES . . . . . . . 57

7 APÊNDICE B - CÓDIGO MAIN - MÉTODO DE POOLING . . . . . . . . . . . . 60

8 APÊNDICE C - CÓDIGO BIBLIOTECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

9 APÊNDICE D - DADOS DE TEMPERATURA INTERNA DO MICROCON-

TROLADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

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15

1 Introdução

Este trabalho propõe o projeto e implementação de um sistema autossuficiente ener-

geticamente para aplicações de instrumentação. Um sistema deste é baseado na colheita

de uma ou mais fontes de energia a fim de se manter ligado e operando, dedicado a uma

aplicação de instrumentação eletrônica, tal como a leitura de algum sensor ou o aciona-

mento de alguma carga. Nesse caso, a aplicação será a leitura de um sensor de temperatura

interno do microcontrolador e o registro dos dados em uma memória não volátil.

1.1 Motivação

Com o crescente domínio da natureza pelo homem, se tornou imprescindível em algu-

mas práticas inerente ao ser humano, tal como a agricultura, o constante controle e mo-

nitoramento de grandezas físicas, como umidade e temperatura do ambiente. O moni-

toramento desse tipo de dado está intimamente relacionado com o desenvolvimento de

equipamentos eletrônicos de instrumentação.

É muito comum que esse tipo de sistema fique operando por um longo período de

tempo, em locais isolados, relativamente distante da rede elétrica. Ambos esses fatos dei-

xam claro o desafio que existe quanto a escolha da fonte de energia a ser utilizada, e como

extrair o máximo da mesma.

É com esse intuito que o conceito de sistemas autônomos energeticamente está sendo

estudado, desenvolvido e aplicado em um número cada vez maior de tipos de equipamen-

tos e dispositivos. Normalmente, os sistemas autônomos são mantidos através de uma

bateria recarregável e trabalham com diversos conceitos de eficiência energética, tal como

o uso de componentes de baixo consumo ou a implementação de ciclos de trabalho, por

exemplo.

Com o objetivo de aumentar a autonomia das baterias, muita pesquisa tem sido feita

no campo da colheita de energia do meio ambiente (EH, do inglês Energy Harvesting). Este

ramo relativamente novo da ciência parte do princípio de que existem diversas formas de

energia disponíveis no ambiente, e que estas podem ser exploradas, sendo convertidas em

energia elétrica. As formas de energia que podem ser colhidas vão desde formas mais co-

nhecidas como por exemplo a energia solar e eólica, até métodos menos populares, como

a energia piezoelétrica, proveniente de vibrações mecânicas.

Este trabalho se propõe a desenvolver um sistema autossuficiente energeticamente atra-

vés da colheita de energia solar. O sistema proposto utilizará um kit de desenvolvimento

microcontrolado, uma placa de controle e aplicará conceitos de colheita de energia e efi-

ciência energética.

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Capítulo 1. Introdução 16

1.2 Objetivos

Projetar e desenvolver um sistema autossuficiente energeticamente, através de concei-

tos de colheita de energia, para aplicações de instrumentação. A aplicação final que será

implementada para o sistema desenvolvido neste trabalho é a leitura do sensor de tem-

peratura interno ao microcontrolador e o registro dos dados em uma memória não vo-

látil, também interna. Além disso, o sistema conta com a possibilidade de acréscimo de

um sensor ou carga externo, que pode ser alimentado pela bateria e controlado pelo mi-

crocontrolador do sistema. O sistema será elaborado no kit de desenvolvimento Stellaris-

LM4F120XL, da Texas Instruments. Nesse caso, o microcontrolador será responsável pela

gestão do fluxo de energia entre a fonte de colheita e a bateria e também pela leitura do

sensor de temperatura e armazenamento dos dados em sua memória interna.

Além disso, é um objetivo do trabalho o estudo de sistemas de colheita de energia e

de alguns métodos específicos de colheita, tal como energia fotovoltaica, eólica, térmica e

piezoelétrica, a fim de analisar a sua viabilidade de implementação em protótipos similares

ao desenvolvido.

1.3 Objetivos Específicos

• Realizar estudo sobre diversas formas de colheita de energia.

• Projetar e implementar circuito para gerenciar o fluxo de energia entre painel foto-

voltaico e bateria.

• Desenvolver um software com máxima eficiência energética possível e comprovar a

sua eficiência.

• Realizar testes que comprovem o funcionamento do sistema.

1.4 Organização do Trabalho

Este trabalho de conclusão de curso será organizado na seguinte forma:

• Introdução: Apresenta a importância do desenvolvimento de sistemas autossufici-

entes energeticamente e as suas diversas aplicações que motivam o desenvolvimento

deste trabalho, além de apresentar a estrutura organizacional do trabalho.

• Fundamentação Teórica: Detalha a base teórica por trás da colheita de energia, tipos

de colheita de energia, os elementos e forma de operação de um sistema de colheita

de energia, bem como conceitos básicos sobre baterias de níquel metal hidreto.

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Capítulo 1. Introdução 17

• Metodologia: Esta seção apresenta a proposta para o sistema desenvolvido, a justi-

ficativa pela escolha de cada equipamento ou método utilizado no desenvolvimento

do protótipo e também a metodologia de testes que foi implementada.

• Resultados: Expõe os resultados obtidos no âmbito de hardware, software e estru-

tura, além de expor o resultados dos testes realizados que comprovam o funciona-

mento do sistema e a eficiência energética do software desenvolvido.

• Conclusão: Discorre sobre quais objetivos foram alcançados e como projetam-se os

possíveis próximos passos para este projeto.

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2 Fundamentação TeóricaNeste capítulo serão apresentados os conceitos de sistemas de colheita de energia, seus

elementos principais, alguns tipos de fontes de energia, modos de operação de sistemas de

EH e métodos de eficiência energética que podem ser implementados.

2.1 Colheita de Energia

Há energia em diversos lugares ao nosso redor nas mais variadas formas, na luz no sol,

no calor do sol, no movimento dos ventos, etc. A Colheita de Energia, explora estas formas

de energia disponíveis no meio ambiente, transformando-as em energia elétrica, que pode

ser utilizada em diversas aplicações.

Um sistema que utiliza a colheita de energia é aquele que retira toda ou parte da sua

energia do meio ambiente. A grande diferença entre a energia que está armazenada nas

baterias e a energia proveniente de fontes de EH é que a segunda é potencialmente infi-

nita, quando se leva em consideração todos os inúmeros tipos de energia que podem ser

explorados com as mais diversas técnicas de colheita. (KANSAL, A. et al, 2007).

Transformar outras formas de energia presentes no meio ambiente em energia elétrica

não é um conceito novo por si só, porém projetar e integrar de forma eficiente este tipo de

dispositivo de colheita em sistemas embarcados, de forma a atender as suas necessidades

energéticas, isso sim é um ramo de pesquisa novo e em ascensão. (RAGHUNATHAN, V. et

al, 2005).

Os sistemas que utilizam a EH como fonte de energia normalmente tem necessidade

de autonomia energética, seja por operarem por um período muito longo de tempo, seja

por estarem em locais isolados, distante da rede elétrica ou em situações em que o uso de

baterias não é o a melhor alternativa. Alguns exemplos de aplicações são estações mete-

orológicas implementadas no campo, radares de trânsito em estradas, sistemas com tec-

nologia Zig-Bee energyharvesting.net (2012). Além disso, outro exemplo de aplicação é a

tecnologia wearable (tecnologia em vestimentas), que contemplam tanto dispositivos com

finalidades de lazer ou estética, quanto dispositivos voltados a saúde.

Os seguintes artigos listados nas referências bibliográficas apresentam diversos exem-

plos de aplicações para a colheita de energia. O artigo de KISH, M. et al (2000), discorre

sobre a aplicação de colheita de energia térmica em relógios de pulso. O artigo de SPIES, P. ;

POLLAK , M. e ROHMER G (2007) fala sobre a utilização de colheita de energia térmica para

aplicações em dispositivos de telecomunicações. O artigo de LEONOV, v (2013) apresenta

um estudo sobre aplicação de colheita de energia térmica em roupas, e chega a conclusões

interessantes sobre os níveis de energia que podem ser extraídos em diferentes condições

de temperatura ambiente, tecidos de roupas e também da taxa metabólica de diferentes

indivíduos.

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 19

Existem várias formas de colher energia do ambiente e esses diferentes tipos de fontes

de energia podem também ser classificados quanto a sua sazonalidade e controlabilidade.

Essas classificações serão apresentadas a seguir.

2.2 Tipos de Colheita de Energia

2.2.1 Colheita de Energia Solar

A colheita de energia solar, ou fotovoltaica (PVEH, do inglês Photovoltaic Energy Harves-

ting) é provavelmente a mais conhecida, e uma das que tem o maior número de aplicações,

que vão desde a sua utilização em usinas de geração de energia em grande escala, até apli-

cações de baixo consumo para sistemas embarcados. A geração de energia elétrica a partir

da energia da luz do sol é possível graças ao efeito fotovoltaico, que faz com que os elétrons

de um material se desprendam quando expostos a luz, gerando assim, um potencial elé-

trico (LAFAE - Laboratório de Fontes Alternativas de Energia, 2012). No caso, o material

mais utilizado é o silício, devido a sua abundância e alto rendimento (ABDELHALIM, Z,

2012). A Figura 2.1 ilustra o efeito fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica.

Figura 2.1 – Efeito Fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica.

Fonte: (Almeida, P. M. de, 2011)

A energia solar pode ser classificada como uma fonte não controlável, porém previsível.

Isso porque não é possível extrair energia do painel fotovoltaico quando bem entender,

mas é possível prever o seu comportamento através de modelos que levam em conta a sua

posição, localização e dados meteorológicos, traçando um perfil de geração de energia.

(KANSAL, A. et al, 2007).

Quando comparados com demais tipos de colheita de energia, a energia fotovoltaica

se mostra bastante útil devido ao nível considerável de energia que pode ser extraída, já

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20

que normalmente são utilizadas diversas células de silício em conjunto. Além disso, por

se tratar de uma fonte de energia previsível, facilita as condições de projeto, tal como o

dimensionamento da bateria, a fim de atender os requisitos do sistema.

2.2.2 Colheita de Energia Térmica

Assim como a energia fotovoltaica, a energia térmica também pode ser explorada tanto

para a geração de energia em grande escala, como no aquecimento de caldeiras em usi-

nas termoelétricas, quanto para aplicações de baixo consumo, em sistemas de colheita de

energia.

Na colheita de energia térmica para aplicações de baixa potência, existem dois tipos de

transdutores que podem ser utilizados: os geradores termoelétricos (TEG, do inglês Ther-

moelectric Generators) e os resfriadores termoelétricos (TEC, do inglês Thermoelectric Co-

olers). Os dispositivos TEC mais comuns utilizados são as pastilhas Peltier, já o elemento

TEG mais popular são as termopilhas. (NESARAJAH, M. e FREY, G, 2016).

A geração da energia elétrica a partir da energia térmica nos dispositivos TEC e TEG se

deve ao Efeito Seebeck, o qual postula que a aplicação de um gradiente de temperatura em

um material semicondutor leva a geração de um potencial elétrico nas suas extremidades.

Já a geração de energia térmica a partir da energia elétrica é descrita pelo efeito Peltier, que

diz que a passagem de uma corrente através de uma junção de dois elementos semicon-

dutores distintos provoca uma diferença de temperatura nas suas extremidades. O efeito

Peltier é comumente chamado de efeito Seebeck reverso, devido a dualidade entre ambos,

mas efetivamente, se tratam de dois fenômenos distintos. (BOLES, M. A. e CENGEL, Y. A,

2013). A Figura 2.2 apresenta a estrutura interna de um TEG, mostrando as junções dos

materiais semicondutores (junções termoelétricas) e o seu circuito elétrico equivalente.

Figura 2.2 – Esquema interno de um TEG e seu equivalente elétrico.

Fonte: Traduzido pelo Autor de: RAMADASS, Y. e CHANDRAKASAN, A (2011)

A grande diferença entre os elementos TEC e TEG é que o TEC tem seu funcionamento

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 21

baseado no efeito Peltier e é utilizado principalmente como resfriador, enquanto que o

TEG funciona de acordo com o efeito Seebeck e tem sua principal aplicação na geração

de energia elétrica de fato. Vale ressaltar que é possível gerar energia elétrica a partir de

uma pastilha Peltier, mas com rendimentos inferiores comparados aos obtidos no uso de

dispositivos TEG.

Como a fonte de calor utilizada na colheita de energia termoelétrica muda de um caso

para o outro, é difícil classificá-la de forma geral quanto a sua controlabilidade e previsi-

bilidade. Por exemplo, um sistema que utilize o calor excedente presente em uma cha-

miné, em uma fábrica, pode ser considerado controlável e previsível, pois é possível saber

quando e até quanto de energia estará disponível. Já um sistema que utilize a diferença de

temperatura entre o corpo humano e o ambiente para colher energia, é um sistema me-

nos controlável e previsível, devido a sua dependência com a temperatura ambiente, por

exemplo.

De forma geral, o aumento do uso da colheita de energia térmica se deve aos avanços

nas áreas de materiais e nanotecnologia (GOLDSMID, H. J. e NOLAS, G. S, 2002). Os ele-

mentos termoelétricos novos tem uma capacidade cada vez maior de gerar energia a partir

de diferenças de temperatura menores, tornando esse tipo de sistemas cada vez mais efi-

cientes e interessantes.

2.2.3 Colheita de Energia Eólica

A utilização da força dos ventos é também, um método bastante popular de geração de

energia elétrica. O número de usinas eólicas aumenta veemente, porém as pesquisas tem

seu foco maior nas grandes turbinas, ao passo que a colheita de energia eólica (WEH, do

ingles Wind Energy Harvesting), para aplicações de baixo consumo, não é muito explorada

ou discutida.

A geração da energia eólica acontece devido ao movimento das pás de uma hélice, cujo

eixo está anexado ao eixo de um gerador elétrico. Uma característica que diferencia a WEH

dos demais métodos sitados até agora é que este gera corrente alternada (CA) em sua saída.

Isso se deve a forma física como os geradores funcionam, ou seja, a rotação contínua de

espiras metálicas (rotor) dentro do estator de um gerador altera seu fluxo magnético cons-

tantemente, fazendo aparecer a corrente alternada. Este processo é descrito pela Lei de

Faraday (UMANS, S. D, 2014). A Figura 2.3 apresenta um esquema de um gerador de cor-

rente alternada, onde é possível ver os pólos magnéticos Norte e Sul, que fazem referência

ao estator do gerador, e uma espira, representando o enrolamento do rotor.

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 22

Figura 2.3 – Esquema ilustrativo de um gerador de corrente alternada.

Fonte: Autor Desconhecido

O fato de a WEH gerar energia AC é um complicante devido a necessidade de retifi-

cação dessa forma de onda para sua utilização em circuitos de eletrônica. Esse processo

de transformação da corrente de alternada para contínua se mostra desafiador quando se

leva em conta que a quantidade de energia gerada não é tão alta, e que retificadores a diodo

provocam uma queda de tensão bastante significativa.

A dificuldade de conversão ac-dc de forma eficiente com o uso de retificadores comuns

a diodo leva a necessidade de implementação circuitos tal como retificadores ativos com

MOSFET. Esses retificadores dissipam muito menos potência do que os que utilizam dio-

dos, porém essa abordagem também apresenta problemas. Para certos níveis específicos

de tensão, a entrada dos retificadores a MOSFET se mostram instáveis, fazendo a saída os-

cilar, diminuindo drasticamente a sua eficiência. (TAN, Y. K. e PANDA S. K, 2011)

A WEH pode ser classificada como incontrolável, pois não é possível escolher quando

gerar energia, e parcialmente previsível, porque apesar de ser possível traçar um perfil dos

ventos em certo ambiente, este parâmetro é muito incerto e depende de inúmeros outros

fatores. Por todos esses motivos esse método não é amplamente utilizado em aplicações

reais.

2.2.4 Colheita de Energia Piezoelétrica

Destoando das formas de geração de energia supracitadas, a colheita de energia pie-

zoelétrica (PEH, do ingles Piezoelectric Energy Harvesting) não é utilizada para geração de

energia em grande escala em usinas ou similares. Este fato se deve a baixa quantidade de

energia produzida em comparação a outros métodos e também a característica das fontes

de vibrações exploradas.

Esta forma de EH tem seu fundamento no fenômeno da Piezoeletricidade, o qual pro-

põe que certos materiais (tais como materiais cristalinos e alguns tecidos biológicos) tem

a capacidade de gerar potencial elétrico, quando submetidos a estresses mecânicos. Este

efeito pode ser entendido como uma relação linear entre o estado mecânico e elétrico do

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 23

material. O efeito piezoelétrico é reversível, ou seja, a transformação de energia pode ocor-

rer no outro sentido também, isso quer dizer que é possível gerar energia de vibração (me-

cânica) a partir da aplicação de um potencial elétrico no material. Essa aplicação reversa é

bastante utilizada em circuitos de eletrônica como osciladores, para gerar o clock que rege

o funcionamento dos sistemas. (CALLISTER, W. D, 2000).

A PEH é bastante utilizada em aplicações biomédicas tais como implantes e próteses.

Essa é a forma de EH mais atraente para este tipo de situação pois dentro de um indiví-

duo não há a possibilidade de se explorar colheita de energia solar ou eólica por exemplo.

Em contra partida, um ser humano está em contante exposição a inúmeras formas de ra-

diação tal como a ultravioleta ou a radio frequência, que servem como excitadores para

os transdutores piezoelétricos, gerando energia elétrica. Alguns exemplos são sensores de

monitoramento de pressão intra-ocular ou sensor de monitoramento de glicose sub cu-

tâneo. A Figura 2.4 apresenta um exemplo de aplicação biomédica de um sistema PEH e

um esquema mecânico e elétrico equivalente de um gerador piezoelétrico. (CHEN, Z. et al,

2007).

Figura 2.4 – Esquema de sistema utilizando PEH, e equivalente elétrico para um GeradorPiezoelétrico.

Fonte: (CHEN, Z. ; LAW, M. ; MAK, P. ; KI, W. e MARTINS, R, 2017)

Este tipo de fonte de colheita pode ser classificada como incontrolável, pois não é pos-

sível extrair energia quando desejado e além disso, é uma fonte de energia imprevisível,

devido ao alto grau de dificuldade para traçar o padrão vibracional de um ambiente.

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 24

2.3 Os Sistemas de Colheita de Energia

Um sistema de colheita de energia é normalmente composto por quatro elementos,

uma fonte de energia tal como as exemplificadas previamente, um dispositivo conversor,

que pode ser um elemento piezoelétrico, termo gerador ou painel solar, por exemplo, um

sistema de controle, que é responsável pela gerência da energia entre a fonte, elemento

armazenador e aplicação final, e por último, todo sistema tem uma aplicação final, como

os diversos exemplos já listados. (energyharvesting.net, 2012).

Um sistema de controle de colheita de energia trabalha para aumentar a vida útil ou

tempo de utilização de um sistema e para fazer isso é necessário reduzir o consumo ener-

gético total. No entanto isso tem de ser feito sem esquecer as especificações do sistema,

tal como níveis mínimos de tensão e corrente necessários para funcionamento ou período

total o qual o sistema precisará operar. Um sistema de controle destes pode ser micro-

controlado ou não, dependendo de fatores tais como a dimensão do equipamento e a sua

complexidade.

É com o intuito de aumentar o tempo de utilização de um equipamento que as técnicas

de colheita de energia são utilizadas. A fontes de energia exploradas podem ser utilizadas

de duas formas: para aumentar a vida útil dos elementos armazenadores de energia do

sistema, recarregando-os, ou como a única fonte de energia do sistema, colhendo energia

na mesma taxa (ou em uma taxa maior) a qual ela é consumida, tornando teoricamente

desnecessário o uso de elementos armazenadores. Este modo de operação é chamado de

operação de fluxo-neutro de energia, que é quando o nível de energia consumida é sempre

menor do que a produzida.(KANSAL, A. et al, 2007).

Em um sistema operando em fluxo-neutro a preocupação deixa de ser aumentar a vida

útil do sistema, uma vez que essa seria hipoteticamente infinita, e passa a ser as caracte-

rísticas máximas de performance que podem ser sustentadas, baseado na quantidade de

energia apanhada do ambiente. Nesse sentido fica evidente que aumentar a quantidade

de energia colhida faz com que o sistema possa consumir mais. Com este intuito, projetar

um sistema onde a mínima energia colhida em qualquer instante de tempo é maior que

a máxima energia consumida pelo sistema seria um cenário ideal, porém em muitas oca-

siões, utópico. É para ajudar nesse sentido que os sistemas de controle são utilizados, a

fim de gerenciar o fluxo de energia entre fonte, elemento armazenador e aplicação final,

atendendo assim, aos requisitos do sistema. (KANSAL, A. et al, 2007).

Uma das formas de reduzir o consumo energético de um sistema é através do uso de

ciclos de trabalho, fazendo o sistema realizar as suas ações, como por exemplo a medição

de sensores ou o envio de dados, e após isso entrar em hibernação ou ficar em stand-by.

Outro meio de aumentar a eficiência energética de um sistema é através do uso de compo-

nentes de baixo consumo. Um outro método é através do desenvolvimento de um software

de baixo consumo, que pode ser obtido através de técnicas de eficiência energética de sis-

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 25

temas embarcados, as quais preconizam a utilização de interrupções em detrimento de

técnicas de pooling, ou a utilização de um clock mais reduzido, por exemplo.

Além de diminuir o consumo, é possível atender aos requisitos do sistema aumentando

a quantidade de energia retirada do ambiente. Isso pode ser feito a partir da implemen-

tação de diversos métodos de colheita em um mesmo sistema, aproveitando fontes dife-

rentes de energia. Um mesmo sistema pode contar com elementos de EH solar e térmico,

por exemplo. Ao mesmo tempo, existem técnicas para aumentar a eficiência da coleta de

energia que podem ser aplicadas a cada método individualmente, tal como o rastreamento

do ponto de potência máxima (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking).

A forma como o MPPT é implementado muda de um método de colheita para outro.

O MPPT de um PVEH está relacionado com os parâmetros de incidência solar, então para

aumentar a potência gerada por um painel solar é necessário movê-lo de forma a "seguir"o

sol durante um dia. Já para sistemas TEH, a quantidade de energia gerada é proporcional

à diferença de temperatura entre as faces do dispositivo, crescendo linearmente até um

certo ponto, e então diminuindo. Nesse caso, a implementação do MPPT deve fazer com

que a diferença de temperatura seja mantida no seu ponto ótimo. Outro exemplo é a im-

plementação de um MPPT para WEH, o qual deve fazer com que o vento incida sempre de

forma normal (90 graus) a hélice geradora.

2.4 Pilhas recarregáveis de Níquel Metal Hidreto

As pilhas NiMH (Níquel Metal Hidreto) vem se popularizando devido a sua alta den-

sidade de energia e ao seu apelo ambiental, pois os metais utilizados na sua fabricação

não são tóxicos. Em ambos esses aspectos as baterias de NiMH são melhores do que a sua

precursora e concorrente, as baterias de Níquel Cádmio, NiCd.

O comportamento de carga e descarga de uma célula de NiMH pode ser observado mais

facilmente na curva de carga e descarga, conforme a apresentado na Figura 2.5. Nessa

curva, o ponto MPV (do inglês Mid-Point Voltage), é a tensão nominal da célula, nesse caso

1,2 V. Já o ponto EODV (do inglês End of Discharge Voltage, é a tensão na qual a célula pode

ser considerada descarregada, para baterias de NiMH isso ocorre em torno de 900 mV e 1

V.

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 26

Figura 2.5 – Curva genérica de carga de descarga de uma Bateria de NiMH.

Fonte: (SIMPSON, C, 2011)

Esta curva de carga varia de acordo com a temperatura local e também de uma célula

para a outra. Em temperaturas elevadas (> 40◦C), a bateria de NiMH tem sua capacidade

de fornecimento de corrente reduzida e torna-se mais difícil realizar uma carga completa

na mesma. (SIMPSON, C, 2011).

A carga de baterias como essas é feita a partir da aplicação de uma tensão maior que seu

valor nominal em cima dos seus terminais. Existe mais de um método de carregar baterias

de NiMH. A carga pode ser rápida ou lenta, dependendo da intensidade da corrente que é

injetada nas células.

A carga lenta é aquela que aplica uma corrente mais baixa, tal que possa ser aplicada

constantemente, sem danificar a célula, dessa forma dispensando o controle mais rigoroso

durante o processo de carga. A corrente que é considerada como carregamento lento deve

ser na taxa de décimos da capacidade de corrente nominal da célula, ou seja, no caso de

uma capacidade nominal de 3000 mAh (um valor comum), uma carga lenta deve aplicar

em torno de 100 mA a 300 mA. As taxas de corrente variam de célula para célula, ou seja,

pilhas de NiCd aceitam correntes 1/10 da sua taxa nominal, enquanto que para as células

de NiMH esse valor deve ser ainda menor, por volta de 1/30 ou 1/40. Essa diferença ocorre

por fatores químicos e estruturais internos a cada tipo de bateria e implicam em um tempo

maior ou menor até a carga total.

A carga rápida aplica a capacidade completa da bateria, que no caso de uma célula de

3000 mAh, a corrente aplicada seria os próprios 3000 mA, ou 3 A. A carga rápida é conside-

rada menos segura, pois faz a temperatura das células aumentarem muito, e por isso exige

um controle mais rigoroso para evitar acidentes.

Existem algumas práticas de mau uso que podem acarretar em danos nas células de

carga. O erro mais comum é a sobrecarga excessiva, que ocorre quando uma corrente re-

lativamente grande é forçada célula a dentro, mesmo após ela já estar carregada. Outro

problema é a reversão de polaridade. Esse fenômeno ocorre principalmente em arranjos

de pilhas em série, durante o processo de descarga, a primeira célula a descarregar com-

pletamente terá corrente forçada através de si pelas demais unidades do conjunto, e nesse

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Capítulo 2. Fundamentação Teórica 27

instante, a sua polaridade estará reversa. Ambas situações fazem com que a corrente em

abundância, ou a corrente reversa, seja dissipada na forma de calor, podendo culminar até

em uma explosão da célula. (SIMPSON, C, 2011).

2.5 Conclusão do Capítulo

O avanço nas tecnologias de materiais e a incessante busca pelo uso mais eficiente da

energia em sistemas embarcados culminam no uso cada vez maior de diversas técnicas de

EH.

Os sistemas de EH são compostos por 4 componentes, sendo o sistema de controle o

maior responsável pelo controle do fluxo energético do sistema e aplicações dos métodos

de eficiência energética, tais como ciclos de tarefa, hibernação ou MPPT.

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3 MetodologiaNessa seção será apresentado as etapas do desenvolvimento do projeto. A descrição e

motivação do uso dos devidos materiais, equipamentos e técnicas de implementação. A

apresentação do sistema desenvolvido será distribuída de acordo com os elementos que

compõe um sistema de colheita de energia, a fonte de energia, dispositivo conversor, sis-

tema de controle e a aplicação final.

3.1 Proposta para um Sistema de Colheita de Energia

O sistema de colheita de energia proposto neste trabalho tem como objetivo principal

ser auto-suficiente energeticamente. A fonte de energia do sistema é a colheita de energia

fotovoltaica (PVEH), o elemento conversor é um painel foto voltaico de 1W de potência,

o elemento armazenador de energia é um conjunto de 5 pilhas AA de NiMH recarregá-

veis conectadas em série, o sistema de controle é microcontrolado, implementado parte

em um kit de desenvolvimento cujo microcontrolador utiliza arquitetura ARM (Advanced

RISC Machine, do inglês) e parte em uma placa de circuito impresso separada. A aplicação

final primária é a leitura do sensor de temperatura interno ao microcontrolador e o arma-

zenamento desses dados de temperatura em uma memória EEPROM, também interna ao

chip do microcontrolador. A Figura 3.1 apresenta um diagrama de blocos do sistema, onde

é possível visualizar mais facilmente a descrição do sistema.

Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de Colheita de Energia Desenvolvido.

Fonte: O Autor

Na Figura 3.1, os blocos chamados de C o mp 1 e C o mp 2 são os comparadores imple-

mentados com amplificadores operacionais, e os símbolos chamados de SW 1 e SW 2 são

os Switches, ou chaves lógicas, implementadas com transistores. Além disso, vale ressal-

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Capítulo 3. Metodologia 29

tar que as 5 pilhas em conjunto são denominadas como a Bateria do sistema, conforme

também indicado na Figura 3.1.

O sistema conta também com a possibilidade de expansão, com o acréscimo de mais

um sensor externo, no que é chamado de Terminal para Carga, na Figura 3.1. Este terminal

é composto por 3 pinos, 5 V, G N D e um pino que está conectado diretamente ao kit de

desenvolvimento. Isso abre a possibilidade da implementação de novas funcionalidades

ao módulo, fazendo com que a aplicação final passe a ser, além da leitura do sensor de

temperatura interno, a leitura de mais um sensor, ou acionamento de alguma carga, por

isso a seta que une este bloco com o Microcontrolador é bidirecional.

3.2 Elemento Conversor de Energia

Como o sistema utilizará a PVEH como fonte de energia, é natural que o elemento con-

versor de energia seja um painel fotovoltaico. O painel escolhido está apresentado na Fi-

gura 3.2.

Figura 3.2 – Painel Fotovoltaico utilizado como elemento conversor de energia do sistema.

Fonte: O Autor

As características elétricas do painel são conforme segue:

• Tensão de circuito aberto: Vo p e n c i r c ui t = 11 V;

• Corrente de curto circuito: Is ho r t c i r c ui t = 0,12 A;

• Potência de pico: Pp e a k = 1 W;

A escolha deste painel se deu devido ao fato de que as suas características elétricas aten-

diam as necessidades de projeto, ou seja, o painel conseguia extrair energia suficiente do

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Capítulo 3. Metodologia 30

ambiente para recarregar a bateria do sistema. Além disso, o painel se tornou ainda mais

atraente por ser compacto, com seus 15 cm de comprimento e 8,5 cm de largura.

As especificações de tensão de circuito aberto e corrente de curto circuito são as carac-

terísticas máximas do painel, ou seja, a tensão máxima que este painel fotovoltaico poderá

fornecer é 11 V, e a corrente do mesmo nunca ultrapassará 120 mA. Essas características

são importantes e devem ser levadas em conta para o projeto dos demais elementos do

circuito.

3.3 Elemento Armazenador de Energia

Conforme já apresentado anteriormente, os elementos armazenadores de energia são

de extrema importância em um sistema de EH. Esses elementos podem ser super capacito-

res, baterias ou pilhas. A utilização de fontes de energia não controláveis e/ou não previsí-

veis deixa claro a necessidade do uso de elementos armazenadores, para que os requisitos

do sistema sejam atendidos durante todo o seu período de funcionamento. É evidente que

essas baterias tem de ser recarregáveis, pois estarão em constante processo de carga e des-

carga.

Foi definido que o elemento armazenador de energia do sistema de EH desenvolvido

nesse trabalho seriam 5 pilhas de NiMH conectadas em série. As pilhas de NiMH foram

escolhidas graças a sua popularidade e facilidade de acesso. Cada uma dessas pilhas tem

tensão nominal de 1,2 V e capacidade de corrente de 3000 mAh. Apresentar uma tensão

nominal de 1,2 V quer dizer que durante um ciclo de carga e descarga, a tensão de cada

célula permanece em torno de 1,2 V na maior parte do tempo. Quando completamente

carregada, cada célula chega até a 1,5 V, e quando completamente descarregada ficam em

torno de 1 V. A Figura 3.3 mostra as pilhas que foram utilizadas.

A escolha de serem usadas 5 pilhas em série foi tomada graças a um requisito do sis-

tema, a necessidade de se ter 5 V presente para alimentação do sistema de controle. Caso

fossem utilizadas 4 células de NiMH, que é um número mais comum, esse requisito seria

atendido apenas quando todas as baterias estivessem no início da sua curva de descarga,

ou seja, completamente carregadas. Quando as células estivessem em sua tensão nominal,

a tensão total fornecida pelo elemento armazenador seria 4,8 V, que seria insuficiente.

Uma característica da bateria NiMH que pode ser considerada uma desvantagem mas

que na aplicação de EH é uma vantagem é que a sua vida útil é estendida caso sejam fei-

tas cargas e descargas parciais ao invés de totais. Esse é um aspecto importante, pois na

aplicação de EH, a bateria será recarregada constantemente quando na disponibilidade de

energia proveniente das fontes de colheita. Outra vantagem das baterias NiMH em rela-

ção as de NICd é o seu menor efeito de memória, o qual é popularmente conhecido como

"bateria viciada".(sta-eletronica, ).

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Capítulo 3. Metodologia 31

Figura 3.3 – Pilha AA recarregável de NiMH

Fonte: O Autor

Além disso, é possível fazer uma lógica de circuito em hardware para identificar quando

o conjunto de pilhas estiver descarregado, a partir da tensão de cada célula quando com-

pletamente descarregada. Como no caso serão utilizadas 5 células em série, quando a ten-

são do conjunto for 6 V, sabe-se que o mesmo está completamente carregado, já quando

a medida de tensão do conjunto for em torno de 4 V, é constatada a descarga completa, e

então as devidas ações devem ser tomadas.

3.4 Sistema de Controle

O sistema de controle de um módulo de colheita de energia é responsável pela gestão da

energia do sistema como um todo, controlando o fluxo energético entre a fonte de coleta,

elemento armazenador e a aplicação final.

No caso do trabalho desenvolvido o sistema de controle será composto por um mi-

crocontrolador e uma placa de circuito impresso para auxílio do controle. Ambos estes

elementos serão apresentados a seguir.

3.4.1 Microcontrolador

Para o desenvolvimento de sistemas microcontrolados uma boa alternativa é o uso de

kits de desenvolvimento, pois eles possibilitam a prototipagem prática e rápida. O kit de

desenvolvimento Stellaris EK-LM4F120XL é um kit da fabricante Texas Instruments, que

usa o microcontrolador LM4F120H5QR. Este kit foi escolhido por ser um microcontrola-

dor de baixo consumo, que é um requisito para este tipo de sistema onde tudo gira em

torno da eficiência energética, além de que o acesso ao mesmo foi facilitado devido a sua

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Capítulo 3. Metodologia 32

disponibilidade no laboratório onde o trabalho foi desenvolvido. A Figura 3.4 exibe a placa

de desenvolvimento e exalta seus principais elementos.

Figura 3.4 – Placa de desenvolvimento Stellaris LM4F120H5QR com seus principais com-ponentes e conectores ressaltados.

Fonte: O Autor

A alimentação do kit será feita a partir do conector USB Device, ligado na saída do re-

gulador de tensão, conforme apresentado na Figura 3.1, fornecendo uma alimentação de

5 V. O kit terá algumas funções nessa aplicação, que são:

• O controle das chaves lógicas SW1 e SW2: Essas chaves conectam o Painel Solar à

Bateria e o Regulador de Tensão ao Terminal para Carga, respectivamente.

• A leitura dos comparadores Comp1 e Comp2: Estes monitoram constantemente se

o nível de tensão do Painel Solar ou da Bateria, respectivamente, caíram a baixo de

uma referência pré determinada, gerando um sinal digital de aviso para o Microcon-

trolador.

• Medida dos sensores da aplicação final: Nesse caso o microcontrolador é também

responsável por fazer a leitura do sensor de temperatura e armazenar os dados na

sua memória interna.

3.4.2 Placa de Controle

A placa de controle é onde será implementada a parte do sistema de controle externa

ao kit de desenvolvimento, tal como chaves lógicas a transistor, comparadores com ampli-

ficadores operacionais, regulador de tensão e também a união do sistema como um todo,

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Capítulo 3. Metodologia 33

a partir de conectores para o painel solar, bateria e kit de desenvolvimento. A seguir serão

apresentados os elementos de circuito que compõe a placa de controle.

Primeiramente, o conector do painel solar, que é apresentado na Figura 3.5 e é com-

posto por uma barra de pino onde os terminais do painel solar serão ligados e uma topolo-

gia simples de fonte de tensão regulada, composta pelos componentes R1, Z1 e Q5. A saída

desta fonte de tensão controlada é chamada de Z E N E R 1, conforme indicado na imagem.

Nesse caso o resistor tem função de limitar a corrente, o diodo zener polarizado inversa-

mente tem a função de grampear o nível de tensão em 6,8V. Isso deve ser feito para que não

seja ultrapassado o limite de tensão máxima que será utilizado para carregar as pilhas. O

transistor Q5 faz com que a corrente gasta para polarizar o diodo zener seja compensada,

fornecendo um ganho de corrente. O diodo D2 é utilizado como dispositivo de segurança,

evitando a injeção de corrente contra o painel. Além disso, há uma saída indicada na Figura

3.5 como C O M P _PAI N E L , este ponto do circuito será utilizado em um dos comparado-

res da placa de controle, para gerar um sinal digital caso o painel fotovoltaico passe a gerar

energia a baixo de um certo nível, isso será detalhado mais a diante.

Figura 3.5 – Conector para o Painel Solar.

Fonte: O Autor

A seguir, a primeira das duas chaves lógicas do circuito é apresentada na Figura 3.6.

Esta chave é responsável por conectar ou desconectar os pontos Z E N E R 1 e P I LH A do

circuito. A topologia desta chave lógica conta com um transistor PNP e um NPN, Q2 e Q1

respectivamente, e três resistores cuja função é polarizar corretamente os transistores. O

sinal P I N 1 indicado na Figura 3.6 é responsável pelo acionamento (abertura ou fecha-

mento) da chave 1 e é proveniente do kit de desenvolvimento. Caso P I N 1 esteja em nível

lógico alto, Q1 estará em saturação, e portanto isso faz com que a base de Q2 passe a es-

tar aterrada e portanto o ponto Z E N E R 1 do circuito também estará aterrado, e então o

circuito será como uma chave aberta, não dando continuidade entre Z E N E R 1 e P I LH A.

De forma complementar, caso P I N 1 esteja em nível lógico baixo, é como se Q1 não tivesse

influência no circuito, dessa forma Q2 estará saturado, conectando Z E N E R 1 e P I LH A.

Os resistores R4, R5 e R6 funcionam como limitadores de corrente. (Semiconductor Com-

ponents Industries, 2013)

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Capítulo 3. Metodologia 34

Figura 3.6 – Chave lógica SW1, posicionada entre o painel solar e a bateria do sistema.

Fonte: O Autor

Dando continuidade, o conector do elemento armazenador de energia do sistema, con-

forme indicado na Figura 3.7, que se trata de uma simples barra de pinos com 2 conectores

para os terminais do conjunto de pilhas.

Figura 3.7 – Conector para a o elemento armazenador de energia do sistema.

Fonte: O Autor

O próximo elemento da placa é o regulador de tensão, tal como mostrado na Figura 3.8.

A entrada deste regulador será P I LH A, que é o mesmo ponto do circuito do conector da

Figura 3.7 e a saída da chave lógica 1, da Figura 3.6 e a saída do regulador é uma tensão de 5

V que foi nomeada como R E G U L AD O R . O regulador LP3961 foi escolhido devido as suas

características de tensão máxima de entrada de 7 V, corrente máxima de operação de 800

mA, que é bem mais alta do que os níveis de corrente que serão trabalhados nesta aplica-

ção e também devido a sua característica de Ultra-Low Drop Out Voltage da ordem de mili

Volts, que significa que a diferença mínima entre a entrada e a saída para que este regulador

consiga regular a tensão é de 24 mV, a uma corrente de carga de 80 mA. Além disso, os capa-

citores C1 e C2 são utilizados como capacitores de desacoplamento, anulando oscilações.

(Texas Instruments, 2017b).

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Capítulo 3. Metodologia 35

Figura 3.8 – Regulador de tensão LP3961-5V.

Fonte: O Autor

A tensão controlada fornecida à saída do regulador é utilizada, entre outras coisas, para

alimentação do kit de desenvolvimento. Isso será feito a partir de um conector USB fêmea

que estará presente na placa de controle, conforme indica a Figura 3.9. Os pinos D+ e D−estão desconectados por que a aplicação desta porta USB é somente o fornecimento de

energia para o kit de desenvolvimento, e não a troca de dados.

Figura 3.9 – Conector USB fêmea.

Fonte: O Autor

Analogamente ao funcionamento da chave lógica apresentada na Figura 3.6, o próximo

componente da placa de controle é a segunda chave lógica, apresentada na Figura 3.10.

Esta chave tem a arquitetura e funcionamento exatamente iguais a chave 1. Essa chave

liga a saída do regulador de tensão ao conector para a carga, o qual será apresentado a

seguir, no ponto do circuito chamado de J U M P E R 2. Vale ressaltar que nessa chave, o

sinal de controle é P I N 2, ao invés de P I N 1.

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Capítulo 3. Metodologia 36

Figura 3.10 – Chave lógica SW2, posicionada entre a saída do regulador de tensão e o co-nector para a carga.

Fonte: O Autor

O conector para a carga é exposto na Figura 3.11. Este conector é uma barra de pinos

com 3 posições, que são J U M P E R 2, G N D e C O N N _C ARG A. A entrada J U M P E R 2 é

proveniente da saída do regulador de tensão, e contem 5 V. Além da alimentação de 5 V que

está disponível, tem-se a ligação C O N N _C ARG A, que vai diretamente ao conector do Kit

de desenvolvimento (que será descrito mais a frente). Isso permite uma possível expansão

do sistema a partir da conexão de um sensor extra a ser lido pelo microcontrolador ou o

acionamento de uma carga também pelo microcontrolador.

Figura 3.11 – Conector para a Carga.

Fonte: O Autor

O comparador apresentado na Figura 3.12 é responsável pela verificação da tensão ge-

rada pelo painel fotovoltaico, ou seja, caso ela caia a baixo de um determinado valor, este

comparador produzirá um sinal à sua saída, P I N _PAI N E L .

Para realizar esta funcionalidade de comparação, é necessário a presença de uma ten-

são de referência em uma das entradas do amplificador operacional. No caso em questão,

a tensão de referência está conectada na entrada não inversora do AMPOP a partir de um

divisor de tensão entre os resistores R17 e R16 com os 5 V provenientes do R E G U L AD O R

como alimentação. A partir de uma análise de circuito simples, é possível aferir que essa

tensão de referência será de 1,56 V. A entrada inversora por sua vez também foi projetada

com um divisor de tensão entre R2 e R3 e o ponto do circuito C O M P _PAI N E L é a fonte

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Capítulo 3. Metodologia 37

de tensão a qual se deseja ter controle. Caso a tensão de C O M P _PAI N E L seja menor que

7,5 V, uma borda de subida será enviada através de P I N _PAI N E L para o microcontrola-

dor, porque a tensão de referência (na porta não inversora) passará a ser maior do que na

porta inversora.

Figura 3.12 – Comparador de tensão COMP1, para Painel Fotovoltaico.

Fonte: O Autor

O segundo comparador do circuito é evidenciado na Figura 3.13. Este comparador é

responsável pelo monitoramento da tensão do conjunto de pilhas, que são o elemento ar-

mazenador de energia do sistema. Nesse caso, a tensão de referência também foi feita atra-

vés de um divisor de tensão entre R7 e R8 e com a tensão do R E G U L AD O R como fonte.

Esse divisor resistivo gerou uma tensão de referência de 4,54 V, disponível na entrada não

inversora do amplificador operacional. Na entrada inversora foi injetado diretamente o

sinal P I LH A, a ser comparado. O projeto de uma tensão de referência de 4,54 V se deve

ao fato de que as pilhas apresentarão tensão de 4,5 V quando descarregadas, e então uma

borda de subida será gerada em P I N _P I LH A, sinalizando ao microcontrolador essa des-

carga da unidade armazenadora de energia.

O circuito integrado de amplificador operacional escolhido para ser utilizado nos dois

comparadores foi o LM741, devido a sua fácil acessibilidade e familiaridade com sua utili-

zação. A alimentação destes circuitos será assimétrica, com+5 V e G N D . Estes+5 V serão

fornecidos a partir de uma porta do microcontrolador, que estará disponível no conector

do kit. (Texas Instruments, 2017a)

Vale ressaltar que via de regra o amplificador operacional exige alimentação simétrica

mínima de ± 10 V e máxima de ± 22 V para funcionamento. Texas Instruments (2017a). O

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Capítulo 3. Metodologia 38

fato de este circuito ter funcionado com alimentação assimétrica com +5 V se deve a sua

utilização como comparador, ou seja, se o amplificador operacional LM741 estivesse sendo

utilizado para dar ganho de tensão ou realizar operações lógicas entre sinais (aplicações

comuns para AMPOP), o circuito não funcionaria devido a sua alimentação assimétrica

com +5 V.

Figura 3.13 – Comparador de tensão COMP2, para o conjunto de pilhas.

Fonte: O Autor

Finalmente, o conector do kit de desenvolvimento, que será um barra de pinos com 7

posições, conforme Figura 3.14. Esse conector terá as seguintes entradas: C O N N _C ARG A

que é a entrada configurável para a carga que pode ser adicionada ao sistema e P I N _PAI N E L

e P I N _P I LH A que são os pinos relativos as saídas dos comparadores. Já as saídas serão

P I N 1 e P I N 2, relativas aos controles das chaves lógicas e +5 V e G N D , sendo o +5 V uti-

lizado para alimentação dos AMPOPs e o pino G N D tem a função de conectar os terras

do kit de desenvolvimento, do painel e do conjunto de pilhas, tornando a malha de G N D

comum a todos os dispositivos.

Figura 3.14 – Conector para Kit de Desenvolvimento.

Fonte: O Autor

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Capítulo 3. Metodologia 39

3.5 Algoritmo de Controle

Todo o processo de desenvolvimento do software do sistema foi feito baseado no con-

ceito de eficiência energética, trazendo alguns aspectos de economia de energia.

O sistema opera baseado em ciclos de trabalho, se alternando entre acordado (Run

Mode) e hibernado (Hibernate Mode). O ciclo ativo pode ser facilmente editado no có-

digo, mas foi projetado a princípio com uma proporção de 5 para 1, ou seja, para cada 1

segundo acordado, o sistema passará 5 segundos hibernado. O consumo energético do

microcontrolador é ínfimo quando hibernado e por isso é tão vantajoso mantê-lo dessa

forma o máximo quanto for possível.

As funções do microcontrolador enquanto acordado são a de leitura do sensor de tem-

peratura e tomada de decisão quanto as chaves lógicas, baseado nas saídas dos compara-

dores. E quando hibernado, o kit apenas manterá o nível das suas portas lógicas e aguar-

dará o tempo necessário para acordar e começar o seu ciclo de trabalho novamente.

A Tabela 1 apresenta a lógica de como as chaves serão controladas, baseadas em todas

as situações possíveis de níveis de tensão no painel solar e estado de carga da bateria. Ainda

no que diz respeito a essa tabela, a Tensão no Painel Solar ser suficiente quer dizer que o

painel fotovoltaico está produzindo mais de 7 V, que é o mínimo necessário para polarizar

o diodo zener e poder efetuar a carga da bateria, conforme previamente explanado.

Tabela 1 – Lógica de acionamento das chaves baseado nos níveis de tensão no painel solare baterias.

Tensão no Painel solar Suficiente Suficiente Não Suficiente Não SuficienteEstado da Bateria Carregada Descarregada Carregada Descarregada

Chave 1 Aberta Fechada Aberta AbertaRUN

Chave 2 Fechada Aberta Fechada AbertaChave 1 Fechada Fechada Aberta Aberta

MODEHIB

Chave 2 Aberta Aberta Aberta AbertaFonte: O Autor

Ademais, as funções foram todas implementadas a partir de interrupções, evitando o

uso de Pooling. Essa é uma boa prática de programação para sistemas embarcados pois

diminui o número de instruções que serão processadas em cada loop do sistema, e dessa

forma o consumo energético abaixa drasticamente.

3.6 Aplicação Final

O sensor de temperatura interno do chip do microprocessador tem duas funções pri-

márias que tem papel importante no funcionamento do micro, a primeira é o controle da

temperatura para notificar o sistema caso a mesma fique alta ou baixa demais tal que as

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Capítulo 3. Metodologia 40

operações deixem de ser confiáveis, a segunda é a possibilidade de calibração do oscilador

do RTC. A faixa de operação deste sensor vai de−40◦C até 85◦C . (Texas Instruments, 2013).

O sensor de temperatura converte a temperatura em uma tensão VT s e n s , que é dada

pela seguinte equação, onde T e mp é a temperatura em celcius. Essa equação tem com-

portamento linear, conforme indicado na Figura 3.15.

VT s e n s = 2, 7− ((T e mp +55)/75)

Figura 3.15 – Característica do sensor de Temperatura Interna

Fonte: (Texas Instruments, 2013)

Este sensor de temperatura interno do microcontrolador utiliza uma tensão de refe-

rência de bandgap para gerar o valor VT s e n s , que é uma tensão proporcional a temperatura

absoluta (PTAT, do inglês Proportional to Absolute Temperature). A tensão de bandgap é uti-

lizada como referência nesse tipo de aplicação pois mesmo sob variações de temperatura

ou oscilações na fonte de alimentação, ela continua inalterada, e por isso é denominada

como uma referência independente.

3.7 Metodologia de Testes

O funcionamento do sistema foi comprovado a partir de dois testes. O primeiro deles

foi a tomada de medidas de corrente nos terminais da bateria. Esse teste comprova que

há fluxo de corrente entre os elementos do sistema, evidenciando o processo de carga e

descarga da bateria e deixando clara a gestão da energia que está sendo feita.

O segundo teste será a avaliação do consumo energético do microcontrolador, no de-

correr de 10 minutos de funcionamento, ao se utilizar dois estilos de programação, primei-

ramente um menos eficiente desenvolvido com métodos de pooling, e em seguida um me-

lhor, com método de interrupção. Os parâmetros que indicarão o consumo do microcon-

trolador são a corrente no jumper de alimentação do kit (vide Figura 3.4), e a temperatura

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Capítulo 3. Metodologia 41

registrada no sensor de temperatura interno. Temperatura e correntes maiores inficam que

mais potência é dissipada pelo microcontrolador.

Como o ciclo de trabalho do sistema está configurado para 6 segundos (1 segundo acor-

dado e 5 segundos hibernado), no decorrer de 10 minutos de funcionamento serão feitas

100 leituras do sensor de temperatura interna do microcontrolador. Estes 100 pontos serão

utilizados para gerar gráficos de temperatura interna do microcontrolador em função do

tempo de funcionamento.

3.8 Conclusão do Capítulo

Conforme descrito, o projeto foi seccionado em algumas partes, afim de facilitar a com-

preensão e implementação do sistema como um todo. Foi escolhido apenas a colheita de

energia fotovoltaica como fonte de energia do sistema devido a sua maior acessibilidade

e menor complexidade no que diz respeito a necessidade de circuitos externos para trata-

mento do sinal. O elemento armazenador de energia foi definido como um conjunto de 5

pilhas AA recarregáveis de NiMH.

Além do mais, o projeto do circuito de controle do sistema foi todo baseado no uso de

chaves lógicas para conexão ou desconexão das partes do sistema, baseado nos níveis de

tensão do painel fotovoltaico e do conjunto de pilhas, controlando assim o fluxo de energia

entre o elemento conversor, elemento armazenador e terminal para a carga. Essa lógica foi

desenvolvida no kit de desenvolvimento Stellaris LM4F120XL, da Texas Instruments.

Quanto ao software, foram desenvolvidos dois códigos, um com técnicas de eficiência

energética, através de interrupções e outro através de pooling. Ambos com as mesmas

funcionalidades, e serão comparados do ponto de vista do consumo energético.

Finalmente, os testes realizados foram a medida de corrente do painel solar e nas pilhas,

e a comparação da energia dissipada entre os software mais e menos eficientes energetica-

mente em parâmetros da temperatura interna do microcontrolador e corrente consumida

pelo kit de desenvolvimento.

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42

4 Resultados

Nessa seção serão apresentados os resultados obtidos durante o processo de confecção

do sistema de colheita de energia. Os resultados estão divididos em: Hardware, Software,

Estrutura e uma seção final que apresenta os testes realizados e a conclusão do capítulo.

4.1 Hardware

O roteamento da placa de circuito impresso (PCI) foi feito através do software Proteus

8 Professional. A escolha deste software foi puramente devido a grande familiaridade com

o mesmo. Após terminado o projeto, a confecção da placa se deu em laboratório da pró-

pria universidade, através de processos de corrosão e pintura. A Figura 4.1 apresenta o

roteamento da placa, a Figura 4.2 a sua simulação 3D gerada pelo software Proteus, e fi-

nalmente a Figura 4.3 mostra uma foto da placa confeccionada e finalizada, com todos os

componentes já soldados.

Figura 4.1 – Roteamento da placa de circuito impresso do sistema de controle desenvol-vida.

Fonte: O Autor

A placa tem 14,5 cm de comprimento e 3,8 cm de largura, ela poderia ter as suas dimen-

sões reduzidas, porém foi pensado em realizá-la desta forma para melhor disposição dos

elementos do sistema dentro da caixa final do sistema.

Outra parte que contempla o hardware do sistema é o conjunto de pilhas. Como nor-

malmente as pilhas são utilizadas em conjuntos de 1, 2, ou 4, não foi possível encontrar um

conector que coubessem 5 pilhas AA, então foi feita uma soldagem entre um conector de 1

pilha e outro conector de 4 pilhas, colocando-os eletricamente em série, formando assim,

um conector de 5 pilhas. A Figura 4.4 apresenta este arranjo.

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Capítulo 4. Resultados 43

Figura 4.2 – Simulação 3D da placa de circuito impresso do sistema de controle desenvol-vida.

Fonte: O Autor

Figura 4.3 – Placa de controle com todos os componentes soldados.

Fonte: O Autor

Figura 4.4 – Conjunto de 5 pilhas soldadas em série.

Fonte: O Autor

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Capítulo 4. Resultados 44

4.2 Software

O software do sistema foi desenvolvido no Ambiente de Desenvolvimento Integrado

(IDE, do inglês Integrated Development Enviroment) Code Composer Studio 5.5. O uso

desta IDE em detrimento de outras foi devido a sua similaridade com outras IDEs já utili-

zadas previamente e a maior quantidade de material disponível na internet. A seguir serão

apresentados fluxogramas que descrevem o funcionamento do software de uma maneira

mais gráfica. Conforme já comentado previamente, o código principal foi implementado

com interrupções, e sem nenhuma ação por Pooling. Logo é possível observar na Figura

4.5 que as únicas ações feitas na função M a i n () são as configurações dos periféricos do

microcontrolador e a configuração inicial das chaves lógicas 1 e 2.

Os periféricos habilitados são o Clock do sistema, as portas de uso geral (GPIO, do in-

glês General Port Input/Output), o módulo de hibernação, o controlador de interrupções

(NVIC, do inglês Nested Vector Interrupt Controler), o conversor analógico digital (ADC, do

inglês Analog to Digital Converter) e a memória interna EEPROM (do inglês, Electrically-

Erasable Programmable Read-Only Memory).

A configuração inicial das chaves lógicas é feita partindo do pressuposto de que a ba-

teria está carregada no estado inicial do sistema. Caso esse não seja o caso, o sistema logo

fará a mudança nos estados das chaves lógicas, pois os comparadores sinalizarão ao kit de

desenvolvimento caso o conjunto de pilhas esteja descarregada, gerando uma interrupção,

dentro da qual o estado das chaves será alterado.

Como o sistema atua com ciclos de tarefa, alterando entre o modo acordado e hiber-

nado, toda vez que o microcontrolador acordar, o fluxograma da Figura 4.5 será executado,

ou seja, os periféricos serão configurados toda vez.

Figura 4.5 – Fluxograma da função Main() do software.

Fonte: O Autor

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Capítulo 4. Resultados 45

No que diz respeito as interrupções do sistema, a primeira delas que será comentada

aqui é a mais simples. O fluxograma da interrupção acionada a partir do sinal proveniente

do comparador do painel solar é apresentado na Figura 4.6. A função deste Handler de

Interrupção é basicamente o de alterar o valor de uma variável global do programa, indi-

cando que o painel solar passou a não estar mais gerando energia suficiente para efetuar

a recarga da bateria. Essa informação será relevante quando o sistema estiver prestes a

entrar em hibernação, pois sabendo o estado do painel solar permite configurar as chaves

lógicas de maneira correta.

Figura 4.6 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do Painel Fotovoltaico.

Fonte: O Autor

A Figura 4.7 expõe o fluxograma referente a interrupção acionada a partir do sinal pro-

veniente do comparador do conjunto de pilhas. Esta rotina de interrupção altera o valor de

outra variável global, indicando ao sistema que a bateria está descarregada e reconfigura

as chaves lógicas, baseado no nível de tensão do painel solar, ou seja, caso o painel solar

esteja gerando energia suficiente, será feita uma configuração das chaves de tal forma a

recarregar as pilhas. Caso o painel esteja gerando menos energia do que o mínimo neces-

sário para recarga das baterias, será feita uma configuração com ambas as chaves abertas,

isolando o painel e também a bateria.

Finalmente, a Figura 4.8 exibe o fluxograma da rotina de interrupção do timer. A frequên-

cia com que essa rotina de interrupção é acionada, é configurável e está intimamente re-

lacionada com o ciclo de tarefa do sistema, ou seja, desde o momento que o sistema ligou

pela primeira vez até o momento em que ele entrar nessa rotina, ele estará em Run Mode.

Dentro desta rotina de interrupção são feitas a maioria das ações do sistema. A primeira

delas é a leitura do sensor de temperatura, indicado na Figura 4.8 como leitura do ADC. A

seguir é feita uma checagem para saber se a memória EEPROM interna está cheia, caso es-

teja, os dados de temperatura serão escritos no seu endereço inicial, e caso a memória não

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Capítulo 4. Resultados 46

Figura 4.7 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do conjunto de Pilhas.

Fonte: O Autor

esteja cheia, a escrita do dado de temperatura é feita em sequência, no próximo endereço

disponível.

Na sequência é feita uma verificação quanto ao nível de energia do painel solar, a fim

de saber se ele está gerando o mínimo de energia necessária para efetuar a recarga do ele-

mento armazenador de energia do sistema. Caso esteja, é feita uma configuração das cha-

ves para recarga da bateria, caso não esteja, o painel é deixado isolado da bateria, e a bateria

do terminal da carga, abrindo as duas chaves. Ao fim dessa rotina de interrupção o sistema

é posto em hibernação. O microcontrolador acordará sozinho após um intervalo de tempo

pré-programado. O software completo desenvolvido, contendo todo o código principal e

também a biblioteca criada são apresentadas nos Apêndices.

4.3 Estrutura

Para a parte estrutural do equipamento, algumas preocupações foram levadas em conta,

tal como a necessidade de total exposição do painel fotovoltaico ao sol, e a isolação da parte

de eletrônica do sistema à umidade. Não seria viável desenvolver um encapsulamento to-

talmente a prova d’água, mas a intenção foi de pelo menos apresentar certa resistência. A

Figura 4.9 apresenta o resultado final obtido para a parte estrutural do sistema e a Figura

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Capítulo 4. Resultados 47

Figura 4.8 – Fluxograma da interrupção do Timer.

Fonte: O Autor

4.10 apresenta o sistema completo em funcionamento, com todos os elementos dentro da

caixa.

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Capítulo 4. Resultados 48

Figura 4.9 – Caixa desenvolvida como parte estrutural do sistema.

Fonte: O Autor

Figura 4.10 – Caixa finalizada com todos os elementos do sistema conectados e funcio-nando no seu interior.

Fonte: O Autor

4.4 Resultados do sistema

Para um primeira etapa de testes do sistema foram tomadas medidas de corrente no

jumper de alimentação do kit de desenvolvimento e também das pilhas durante um ciclo

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Capítulo 4. Resultados 49

(modo RUN e HIBERNATE). Essas medidas foram tomadas tanto para o software desen-

volvido com método de interrupções, quanto para o desenvolvido através de pooling. A

realização deste teste se deu em uma situação onde o painel solar estava gerando 8, 5V e

as medidas de corrente variaram sempre entre os dois valores apresentados nas tabelas a

seguir.A Tabela 2 apresenta os valores de corrente considerando o software com interrup-

ções e a Tabela 3 apresenta as correntes executando o software com pooling.

Tabela 2 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto utili-zando software com método de interrupções.

KIT PILHASCorrente RUN

[mA] Corrente HIB [mA] Corrente RUN [mA] Corrente HIB [mA]

21,2 0,26 65,3 -4418,4 0,26 64,3 -43,5

Tabela 3 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto utili-zando software com método de pooling.

KIT PILHASCorrente RUN

[mA] Corrente HIB [mA] Corrente RUN [mA] Corrente HIB [mA]

23 0,26 71,6 -47,922,9 0,2 68,5 -47

Os resultados obtidos foram de acordo com o esperado, apresentando o menor con-

sumo energético para o software com método de interrupções. Vale comentar que os va-

lores de corrente da bateria são negativos no período de hibernação pois é o momento de

recarga da mesma. A partir desses dados de corrente e também tendo consciência de que o

sistema fica 1 segundo em modo RUN e 5 segundos em modo HIB é possível fazer uma aná-

lise de que a corrente de recarga sempre suprirá a bateria, transferindo mais energia para

dentro da mesma no seu período de recarga do que é consumido no seu período "ativo",

comprovando a autonomia do equipamento.

O próximo teste realizado foi a tomada de medidas de temperatura do sensor de tem-

peratura interno do microcontrolador em função do tempo de funcionamento. Essas me-

didas também foram retiradas para ambos os softwares desenvolvidos. Para este teste o

sistema foi posto para funcionar normalmente durante 10 minutos e após isso foram reti-

rados os dados de temperatura armazenados na sua EEPROM. Diferente do último teste,

nesse caso o experimento se deu dentro de uma sala fechada, com o painel solar produ-

zindo apenas 5 V.

Conforme já explanado previamente, o ciclo de tarefa do sistema é de 6 segundos (1

segundo acordado e 5 segundos hibernado), ou seja, ao final de um período de funciona-

mento de 10 minutos, foram retirados 100 valores de temperatura interna da memória do

Page 51: Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo ... · tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual

Capítulo 4. Resultados 50

microcontrolador. Esses valores estão apresentados no Apêndice D e foram utilizados para

montar os gráficos, através do software de simulação matemática Matlab.

A Figura 4.11 mostra um gráfico de temperatura em função do tempo de funciona-

mento, obtido a partir do software baseado em interrupções. Enquanto que o gráfico pre-

sente na figura 4.12 mostra o equivalente, porém para o software com método de pooling.

Figura 4.11 – Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funciona-mento para software por interrupções.

Fonte: O Autor

Page 52: Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo ... · tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual

Capítulo 4. Resultados 51

Figura 4.12 – Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funciona-mento para software por pooling.

Fonte: O Autor

Para uma análise mais simplista, porém ainda condizente, foi feita a média de tempera-

tura para ambas as tomadas de dados, e os valores obtidos são Ti n t = 29, 68◦C para software

com interrupções e Tp o o l = 30, 60◦C para o método de pooling. Além disso, foi feita uma

média do desvio padrão para os dois casos. No caso do software com interrupções a média

do desvio padrão foi de 0, 098◦C enquanto que para o software com pooling foi de 0, 206◦C ,

ou seja, nas duas tomadas de dados, os valores variaram muito pouco a partir do valor mé-

dio.

A Figura 4.13, apresenta as temperaturas das duas tomadas de dados do teste anterior.

O objetivo deste gráfico é colocar em uma mesma escala as duas curvas e tornar mais visual

a diferença entre os dois conjuntos de dados.

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Capítulo 4. Resultados 52

Figura 4.13 – Comparação da temperatura interna do microcontrolador durante 10 minu-tos de funcionamento para software por interrupções (verde) e software porpooling (azul).

Fonte: O Autor

4.5 Conclusão do Capítulo

Após projetados e desenvolvidos, o hardware e software do sistema foram submetidos

a dois testes, que comprovaram o funcionamento do sistema, demonstrando a recarga da

bateria, e também demonstraram de forma prática o que já era esperado de acordo com

a teoria, a quantidade de energia dissipada pelo software desenvolvido com técnicas de

eficiência energética é menor do que o software com técnica de pooling.

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53

5 Discussões e Conclusões

Embora muito tempo tenha sido gasto com pesquisas e considerações sobre os méto-

dos de colheita de energia que seriam implementados no sistema, a colheita de energia

fotovoltaica se demonstrou a mais palpável e suficiente para, em conjunto com as pilhas,

atender as necessidades de autonomia energética do sistema.

A escassez de materiais especialmente sobre técnicas de colheita de energia que não

fossem fotovoltaicas e térmicas também foi uma dificuldade encontrada, pois atrasou o

andamento do trabalho e prorrogou a decisão sobre quais métodos de colheita seriam de

fato implementados.

Diversos testes foram realizados em protoboards, tal como os testes dos comparadores

lógicos gerando interrupções no microcontrolador e das chaves lógicas para conectar ou

desconectar pontos de um circuito. Esses testes foram feitos antes da implementação da

placa de circuito impresso efetivamente, afim de evitar erros, porém após confeccionada, a

placa de controle não funcionou nos primeiros testes e foram necessárias horas de trabalho

analisando o hardware em busca dos erros. Esses erros foram encontrados e corrigidos,

tornando possível a realização dos testes do sistema como um todo.

Sobre a escolha o circuito integrado LM741, de amplificadores operacionais. Pode-se

dizer que o LM741 é um amplificador operacional ultrapassado devido a época em que

foi desenvolvido, em torno de 1968. Embora existam opções mais modernas tal como o

LM311, um amplificador operacional cuja principal aplicação é a de comparação, a uti-

lização do LM741 se deu devido ao fácil acesso e familiaridade, e também pois os testes

realizados com o mesmo foram bem sucedidos.

Os testes realizados comprovaram que a maior eficiência energética ocorre quando da

utilização de um software baseado na técnica de interrupções do que na técnica de pooling

e também demonstraram que a gestão da energia estava sendo realizada pelo microcon-

trolador.

5.1 Trabalhos Futuros

Embora o trabalho tenha sido desenvolvido com muito esmero e empenho, é de co-

nhecimento do autor que existem alguns pontos que possam ser melhorados para tornar

o sistema ainda mais eficiente, expandindo assim o leque de aplicações possíveis.

Após o estudo realizado sobre algumas formas diferentes de colheita de energia, em-

bora tenham sido constatadas as dificuldades de implementação de outros métodos tais

como a colheita de energia térmica ou eólica, uma melhoria que poderia ser feita no sis-

tema é a implementação de outros métodos de colheita de energia além da fotovoltaica.

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Capítulo 5. Discussões e Conclusões 54

Isso diversifica as fontes das quais o sistema recolhe energia para recarregar a sua bateria

interna, tornando-o ainda mais robusto e aumentando a sua autonomia.

Dando sequência, pode-se dizer que existem sistemas de gerenciamento de baterias

muito mais complexos do que o que foi implementado. Elementos gerenciadores de ba-

teria consolidados tomam cuidado com o nível de tensão e temperatura de cada célula da

bateria individualmente, fazendo com que todas as células da bateria estejam em equilí-

brio. Isso aumenta a vida útil da bateria e torna mais eficiente a forma como a sua energia

é utilizada. O projeto de um sistema mais complexo a nível de gerenciamento da bateria é

uma melhoria futura que pode vir a ser implementada.

Os comparadores utilizados no circuito do sistema de controle são comparadores sim-

ples com amplificador operacional e uma melhoria possível e simples de ser implementada

seria a troca destes por comparadores por histerese, que são circuitos com realimentação

positiva. Isso pode evitar que a saída do amplificador demore para se estabilizar, causando

problemas na lógica do sistema.

Além disso, o uso de um kit de desenvolvimento tem a suas vantagens tais como a rápida

prototipagem e teste com componentes em protoboard, mas também tem as suas desvan-

tagens que são o maior consumo energético. Um aperfeiçoamento que pode ser feito para

um trabalho futuro é o desenvolvimento de uma única placa de circuito impresso con-

tendo os elementos da placa de controle e apenas os itens que estão sendo utilizados do

kit de desenvolvimento, que contemplam o chip do microcontrolador, osciladores, pinos

de alimentação e de programação dentre alguns outros periféricos.

Em conjunto com o desenvolvimento de uma única placa de circuito impresso inte-

grada, é possível realizar outra melhoria, que seria a adição de um chip externo de memó-

ria EEPROM e implementação de outros sensores cuja escolha dependem da aplicação.

Realizar essas mudanças é uma boa opção considerando que a memória interna do micro-

controlador contém apenas 511 endereços.

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55

Referências

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57

6 Apêndice A - Código Main - Método de

Interrupções

1

2 # include "APP_LIB . h"

3

4

5 # i f d e f DEBUG

6 vo id__ err or__ ( char pcFilename , unsigned long ulLine )

7 {}

8 # endif

9

10

11 /

12 GLOBAL VARIABLES

13 /

14 Estado_Bateria e s t a d o _ b a t e r i a ;

15 Estado_Painel estado_painel ;

16

17 //comeco da EEPROM

18 unsigned long endereco ;

19

20

21 /

22 FUNCAO MAIN

23 /

24 i n t main ( void ) {

25 SysCtlClockSet ( SYSCTL_SYSDIV_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ |

SYSCTL_OSC_MAIN) ;

26

27

28 Conf_GPIO ( ) ;

29

30 //apaga LED azul e vermelho , acende LED verde . ( sistema em RUN mode)

31 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue | Pino_LED_Red , 0) ;

32 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green , Pino_LED_Green ) ;

33

34 Conf_Hibernate ( ) ;

35

36 Conf_ADC ( ) ;

37

38 Conf_GPIO_Interrupt ( ) ;

39

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Capítulo 6. Apêndice A - Código Main - Método de Interrupções 58

40 Conf_EEPROM ( ) ;

41

42 //Configuracao i n i c i a l das chaves , para fornecer energia a carga

43 Close_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

44 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

45

46 Conf_TIM_Interrupt ( ) ;

47

48 unsigned long period = 0 ;

49 period = ( SysCtlClockGet ( ) / 1) ;

50 /

51 Calcula o numero de c i c l o s de clock n e c e s s a r i o s para uma determinada

frequencia

52 −> SysCtlClockGet ( ) / 0 . 2 = 199999999

53 −> SysCtlClockGet ( ) / 1 = 40000000

54 /

55 TimerLoadSet ( TIMER0_BASE , TIMER_A , period − 1) ;

56

57 while ( 1 ) {

58

59 }

60

61 }

62

63

64 void Timer0IntHandler ( void ) {

65 // Clear the timer i n t e r r u p t

66 TimerIntClear ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;

67

68 // V a r i a v e l para l e i t u r a do ADC

69 unsigned long ulTempValueC , pulRead ;

70

71 ulTempValueC = ADC_Read ( ) ;

72

73 i f ( endereco == 0X01FF ) {

74 endereco = 0 ;

75 }

76

77 EEPROMProgram(&ulTempValueC , endereco , s i z e o f ( ulTempValueC ) ) ;

78 EEPROMRead(&pulRead , endereco , s i z e o f ( pulRead ) ) ;

79 endereco++;

80

81 // V e r i f i c a em qual Configuracao as chaves devem s e r deixadas antes de hibernar

82 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {

83 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a

84 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

85 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

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Capítulo 6. Apêndice A - Código Main - Método de Interrupções 59

86 }

87 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e

88 e l s e {

89 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a

90 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

91 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

92 }

93

94 // Go to hibernate mode

95 Enter_Hibernate ( ) ;

96

97 }

98 void IntGPIOBHandler ( void ) {

99 //Clear IT pending b i t

100 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;

101

102 e s t a d o _ b a t e r i a = descarregada ;

103

104 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {

105 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a

106 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

107 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

108 }

109 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e

110 e l s e {

111 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a

112 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

113 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

114 }

115

116

117 }

118 void IntGPIOFHandler ( void ) {

119 //Clear IT pending b i t

120 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;

121

122

123 estado_painel = i n s u f i c i e n t e ;

124

125 }

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60

7 Apêndice B - Código Main - Método de

Pooling

1 # include "APP_LIB . h"

2

3

4 # i f d e f DEBUG

5 vo id__ err or__ ( char pcFilename , unsigned long ulLine )

6 {}

7 # endif

8

9

10 /

11 GLOBAL VARIABLES

12 /

13 Estado_Bateria e s t a d o _ b a t e r i a ;

14 Estado_Painel estado_painel ;

15

16 //comeco da EEPROM

17 unsigned long endereco ;

18 unsigned long contador = 333333;

19

20 /

21 FUNCAO MAIN

22 /

23 i n t main ( void ) {

24

25 SysCtlClockSet ( SYSCTL_SYSDIV_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ |

SYSCTL_OSC_MAIN) ;

26

27

28 Conf_GPIO ( ) ;

29

30 //apaga LED azul e vermelho , acende LED verde . ( sistema em RUN mode)

31 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue | Pino_LED_Red , 0) ;

32 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green , Pino_LED_Green ) ;

33

34

35 Conf_Hibernate ( ) ;

36

37 Conf_ADC ( ) ;

38

39 //Conf_GPIO_Interrupt ( ) ;

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Capítulo 7. Apêndice B - Código Main - Método de Pooling 61

40

41 Conf_EEPROM ( ) ;

42

43 //Configuracao i n i c i a l das chaves , para fornecer energia a carga

44 Close_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

45 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

46

47

48 while ( 1 ) {

49

50 i f ( GPIOPinRead ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) == Pino_Comp2 ) {

51 estado_painel = i n s u f i c i e n t e ;

52 }

53

54 e l s e {

55 estado_painel = s u f i c i e n t e ;

56 }

57

58

59 i f ( GPIOPinRead ( Porta_Comp , Pino_Comp ) == Pino_Comp ) {

60 e s t a d o _ b a t e r i a = descarregada ;

61

62 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {

63 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a

64 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

65 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

66 }

67 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e

68 e l s e {

69 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a

70 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

71 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

72 }

73 }

74

75 e l s e {

76 e s t a d o _ b a t e r i a = carregada ;

77 }

78

79 i f ( contador == 0) {

80

81 // V a r i a v e i para l e i t u r a do ADC

82 unsigned long ulTempValueC , pulRead ;

83

84 ulTempValueC = ADC_Read ( ) ;

85

86 i f ( endereco == 0X01FF ) {

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Capítulo 7. Apêndice B - Código Main - Método de Pooling 62

87 endereco = 0 ;

88 }

89

90 EEPROMProgram(&ulTempValueC , endereco , s i z e o f ( ulTempValueC ) ) ;

91 EEPROMRead(&pulRead , endereco , s i z e o f ( pulRead ) ) ;

92 endereco++;

93

94 // V e r i f i c a em qual configuracao as chaves devem s e r deixadas antes de

hibernar :

95 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {

96 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a

97 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

98 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

99 }

100 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e

101 e l s e {

102 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a

103 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;

104 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;

105 }

106

107 // Go to hibernate mode

108 Enter_Hibernate ( ) ;

109 }

110

111 e l s e {

112 contador −−;

113

114 }

115

116 }

117

118 }

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63

8 Apêndice C - Código Biblioteca

1 # include "APP_LIB . h"

2

3 extern unsigned long endereco ;

4

5 void Conf_GPIO ( ) {

6

7 // Configura pino como saida (LED VERMELHO, AZUL e VERDE)

8 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;

9 GPIOPinTypeGPIOOutput ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Red | Pino_LED_Blue |

Pino_LED_Green ) ;

10

11 // Configura pinos como saida ( chaves )

12 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOA ) ;

13 GPIOPinTypeGPIOOutput ( Porta_SW1 , Pino_SW1 | Pino_SW2 ) ;

14

15 //Configura pino como entrada (PB placa )

16 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;

17 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_PB , Pino_PB ) ;

18

19 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOB ) ;

20 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;

21

22 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;

23 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;

24

25

26 //

27 // Unlock PF0 so we can change i t to a GPIO input

28 // Once we have enabled ( unlocked ) the commit r e g i s t e r then re−lock i t

29 // to prevent f u r t h e r changes . PF0 i s muxed with NMI thus a s p e c i a l case .

30 //

31 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_LOCK) = GPIO_LOCK_KEY_DD ;

32 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_CR) |= 0x01 ;

33 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_LOCK) = 0 ;

34

35

36 // As duas l i n h a s a baixo j a estao presentes dentro da funcao

GPIOPinTypeGPIOInput .

37 // Se p r e c i s a r a l t e r a r os argumentos delas , dai e necessar io e s p e c i f i c a r .

38 GPIODirModeSet ( Porta_PB , Pino_PB , GPIO_DIR_MODE_IN) ;

39 GPIOPadConfigSet ( Porta_PB , Pino_PB , GPIO_STRENGTH_2MA, GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU ) ;

40

Page 65: Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo ... · tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicações de Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual

Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 64

41 }

42

43

44 void Conf_TIM_Interrupt ( void ) {

45

46 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_TIMER0 ) ;

47 TimerConfigure ( TIMER0_BASE , TIMER_CFG_32_BIT_PER ) ;

48

49 IntEnable ( INT_TIMER0A ) ;

50

51 TimerIntEnable ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;

52 IntMasterEnable ( ) ;

53

54 TimerEnable ( TIMER0_BASE , TIMER_A ) ;

55 }

56

57

58 void Conf_Hibernate ( void ) {

59

60 //

61 // Enable the hibernate module

62 //

63 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_HIBERNATE ) ;

64

65 //

66 // Defines the clock supplied to the Hibernate module

67 //

68 HibernateEnableExpClk ( SysCtlClockGet ( ) ) ;

69

70 //

71 // C a l l i n g t h i s function enables the GPIO pin s t a t e to be maintained

72 // during hibernation and remain a c t i v e even when waking from hibernation .

73 //

74 HibernateGPIORetentionEnable ( ) ;

75

76 //

77 // Set the waking condition to be e i t h e r the GPIO pin , or the RTC

78 //

79 HibernateWakeSet (HIBERNATE_WAKE_PIN | HIBERNATE_WAKE_RTC) ;

80 }

81

82 void Enter_Hibernate ( void ) {

83

84 //apaga LED verde e vermelho , acende LED azul .

85 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green | Pino_LED_Red , 0) ;

86 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue , Pino_LED_Blue ) ;

87

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Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 65

88 //Disable na interrupcao do timer

89 I n t D i s a b l e ( INT_TIMER0A ) ;

90 TimerIntDisable ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;

91

92 //

93 // Prepare RTC wake up f o r the Hibernation Module

94 // These l i n e s configure the RTC wake−up parameters ; r e s e t the RTC to 0 ,

95 // turn the RTC on and s e t the wake up time f o r 5 seconds in the f u t u r e .

96 //

97 HibernateRTCSet ( 0 ) ;

98 HibernateRTCEnable ( ) ;

99 HibernateRTCMatch0Set ( 5 ) ; // F i c a r 5 segundos hibernado

100

101 // //

102 // // Go to hibernate mode

103 // //

104 HibernateRequest ( ) ;

105

106

107 }

108

109 void Conf_ADC ( void ) {

110

111 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_ADC0 ) ;

112

113 SysCtlADCSpeedSet ( SYSCTL_ADCSPEED_250KSPS ) ;

114

115 // Disabele −> Configure −> Enable

116 ADCSequenceDisable (ADC0_BASE , 1) ;

117

118 ADCSequenceConfigure (ADC0_BASE , 1 , ADC_TRIGGER_PROCESSOR , 0) ;

119 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 0 , ADC_CTL_TS ) ;

120 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 1 , ADC_CTL_TS ) ;

121 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 2 , ADC_CTL_TS ) ;

122 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 3 , ADC_CTL_TS | ADC_CTL_IE |

ADC_CTL_END) ;

123

124 ADCSequenceEnable (ADC0_BASE , 1) ;

125

126 }

127

128 unsigned long ADC_Read ( void ) {

129

130 // V a r i a v e i s para l e i t u r a do ADC

131 unsigned long ulADC0Value [ 4 ] ;

132 v o l a t i l e unsigned long ulTempAvg , ulTempValueC ;

133

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Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 66

134 ADCIntClear (ADC0_BASE , 1) ;

135 ADCProcessorTrigger (ADC0_BASE , 1) ;

136

137 //Espera a conversao s e r completada

138 while ( ! ADCIntStatus (ADC0_BASE , 1 , f a l s e ) ) {

139

140 }

141

142 ADCSequenceDataGet (ADC0_BASE , 1 , ulADC0Value ) ;

143

144 ulTempAvg = ( ulADC0Value [ 0 ] + ulADC0Value [ 1 ] + ulADC0Value [ 2 ] + ulADC0Value [ 3 ]

+ 2) /4 ;

145 //ulTempValueC = (1475 − (2475 ulTempAvg ) / 4096) /1 0 ;

146 ulTempValueC = (14750 − (24750 ulTempAvg ) / 4096) ;

147

148

149 return ulTempValueC ;

150 }

151

152

153 void Conf_GPIO_Interrupt ( void ) {

154

155

156 // INTERRUPCAO 1 : PB0 (COMP BATERIA )

157 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOB ) ;

158 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;

159 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;

160 GPIOIntTypeSet ( Porta_Comp , Pino_Comp , GPIO_HIGH_LEVEL ) ;

161 I n t P r i o r i t y S e t ( INT_GPIOB , 0x20 ) ;

162 GPIOPinIntEnable ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;

163 IntEnable ( INT_GPIOB ) ;

164

165 // INTERRUPCAO 2 : PF0 (COMP PV )

166 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;

167 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;

168 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;

169 GPIOIntTypeSet ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 , GPIO_RISING_EDGE ) ; //GPIO_HIGH_LEVEL

170 I n t P r i o r i t y S e t ( INT_GPIOF , 0x20 ) ;

171 GPIOPinIntEnable ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;

172 IntEnable ( INT_GPIOF ) ;

173

174

175 ( void ) IntMasterEnable ( ) ;

176

177

178 }

179

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Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 67

180

181

182 void Close_Switch_x ( unsigned long Porta_key_x , unsigned long Pino_key_x ) {

183

184 GPIOPinWrite ( Porta_key_x , Pino_key_x , 0) ;

185

186 }

187

188 void Open_Switch_x ( unsigned long Porta_key_x , unsigned long Pino_key_x ) {

189

190 GPIOPinWrite ( Porta_key_x , Pino_key_x , Pino_key_x ) ;

191

192 }

193

194 void Conf_EEPROM( void ) {

195

196 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_EEPROM0 ) ;

197

198 unsigned long pulData ;

199 unsigned long pulRead ;

200

201 //Escreve 0x0123456789ABCDEF para i n d i c a r comeco da memoria

202 pulData = 0x89ABCDEF ;

203

204 EEPROMInit ( ) ;

205 EEPROMMassErase ( ) ; //apaga totalmente EEPROM (0 xFFFF ) ( chamar e s t a funcao

somente quando f o r r e s e t a r o estado da memoria )

206 EEPROMRead(&pulRead , 0x0 , s i z e o f ( pulRead ) ) ;

207 EEPROMProgram(&pulData , 0x0 , s i z e o f ( pulData ) ) ;

208 EEPROMRead(&pulRead , 0x0 , s i z e o f ( pulRead ) ) ;

209

210

211 }

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68

9 Apêndice D - Dados de temperatura in-

terna do Microcontrolador

temperatura_interrupcao =

Columns 1 through 4

29.6800 29.4300 29.6800 29.6200

Columns 5 through 8

29.3700 29.5000 29.5000 29.6800

Columns 9 through 12

29.6200 29.3700 29.6800 29.4300

Columns 13 through 16

29.8600 29.5600 29.5600 29.4300

Columns 17 through 20

29.5000 29.6200 29.8000 29.6200

Columns 21 through 24

29.8600 29.7400 29.7400 29.5000

Columns 25 through 28

29.7400 29.7400 29.5600 29.8000

Columns 29 through 32

29.5600 29.6800 29.8000 29.8600

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Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 69

Columns 33 through 36

29.8000 29.6200 29.6800 29.8000

Columns 37 through 40

29.6800 29.6800 29.6200 29.7400

Columns 41 through 44

29.8000 29.6200 29.7400 29.6800

Columns 45 through 48

29.6200 29.6200 29.8000 29.6800

Columns 49 through 52

29.4300 29.6200 29.6200 29.7400

Columns 53 through 56

29.6800 29.8000 29.8000 29.6800

Columns 57 through 60

29.7400 29.6200 29.5600 29.6200

Columns 61 through 64

29.8000 29.6200 29.5600 29.7400

Columns 65 through 68

29.8000 29.5000 29.8600 29.5000

Columns 69 through 72

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Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 70

29.9200 29.7400 29.8000 29.5600

Columns 73 through 76

29.7400 29.8000 29.6200 29.8000

Columns 77 through 80

29.8000 29.6800 29.6800 29.8600

Columns 81 through 84

29.8600 29.8000 29.9200 29.8000

Columns 85 through 88

29.8500 29.6800 29.7400 29.6800

Columns 89 through 92

29.6200 29.7400 29.5600 29.7400

Columns 93 through 96

29.7400 29.6800 29.6800 29.5600

Columns 97 through 100

29.8000 29.8000 29.8000 29.6200

temperatura_pooling =

Columns 1 through 4

29.3700 30.1000 29.6800 29.8000

Columns 5 through 8

29.8600 29.8600 30.0400 30.1000

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Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 71

Columns 9 through 12

30.1600 30.2800 30.4000 30.4600

Columns 13 through 16

30.4600 30.4600 30.5800 30.4200

Columns 17 through 20

30.5600 30.5800 30.5200 30.4000

Columns 21 through 24

30.4000 30.4600 30.5200 30.5200

Columns 25 through 28

30.5200 30.4600 30.3400 30.5200

Columns 29 through 32

30.5200 30.5800 30.4600 30.5200

Columns 33 through 36

30.5200 30.4600 30.5800 30.5200

Columns 37 through 40

30.5800 30.5800 30.6400 30.6400

Columns 41 through 44

30.5200 30.6400 30.6400 30.5200

Columns 45 through 48

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Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 72

30.7000 30.7000 30.6400 30.7600

Columns 49 through 52

30.7000 30.6400 30.7000 30.7600

Columns 53 through 56

30.7000 30.7600 30.7600 30.7600

Columns 57 through 60

30.7600 30.7000 30.6400 30.7000

Columns 61 through 64

30.7600 30.5800 30.7000 30.7600

Columns 65 through 68

30.5800 30.6400 30.7000 30.6400

Columns 69 through 72

30.8200 30.7600 30.7000 30.7600

Columns 73 through 76

30.7600 30.7000 30.7000 30.8900

Columns 77 through 80

30.8200 30.7600 30.6400 30.7600

Columns 81 through 84

30.8200 30.8200 30.3900 30.9000

Columns 85 through 88

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Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 73

30.8500 30.8200 30.8900 30.9500

Columns 89 through 92

31.0100 31.0100 30.8900 30.9500

Columns 93 through 96

30.8200 30.9500 31.0100 30.9500

Columns 97 through 100

31.0100 31.0700 30.9500 31.0100