ESCOLA DE EDUCAÇÃO BÁSICA FRANCISCO MAZZOLANOVA TRENTO (SC)

PROJETO ROSA DOS VENTOSESTAÇÃO METEOROLÓGICA

(V 1.0 - 08/04/17 - 09:25:37)

Medição da Temperatura, da umidade relativa do ar, da pressão atmosférica, radiaçãosolar, índice pluviométrico, velocidade e direção do vento.

Professor Édio Mazera - mazera3@gmail.com

Este projeto encontra-se dividido em 5 subprojetos a saber:

EQUIPE 1. Subprojeto – Construção de uma Biruta e de um anemômetro com sensor magnético deefeito hall A3144 e PIC16F877a.

EQUIPE 2. Subprojeto – Construção de um pluviômetro com Sensor Capacitivo e PIC16F877a.

EQUIPE 3. Subprojeto – Construção de um Termômetro com Sensor LM35 e um Psicrômetro comSensor DHT11 e PIC16F877a.

EQUIPE 4. Subprojeto – Construção de um Barômetro com sensor BMP180 e Arduíno.

EQUIPE 5. Subprojeto – Construção de um Piranômetro com célula fotovoltaica e PIC16F877a.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 1

SumárioRESUMO.............................................................................................................................................4INTRODUÇÃO....................................................................................................................................5

Clima e tempo..................................................................................................................................5Elementos e Fatores Climáticos / Meteorológicos..........................................................................5

OBJETIVO GERAL.............................................................................................................................6OBJETIVOS ESPECÍFICOS...............................................................................................................6MATERIAIS.........................................................................................................................................6EQUIPAMENTOS...............................................................................................................................6CUSTOS...............................................................................................................................................6CRONOGRAMA.................................................................................................................................7DISCIPLINAS......................................................................................................................................7PLANILHA DE CUSTOS (MAR/2017)..............................................................................................7REFERÊNCIAS...................................................................................................................................8

Geral............................................................................................................................................81. Biruta e Anemômetro..............................................................................................................82. Pluviômetro.............................................................................................................................93. Termômetro e Psicrômetro......................................................................................................94. Barômetro................................................................................................................................95. Piranômetro...........................................................................................................................10

1. CONSTRUÇÃO DE UMA BIRUTA E DE UM ANEMÔMETRO...............................................11Medida do vento............................................................................................................................11

Direção Predominante dos Ventos............................................................................................12Escala de Velocidade dos Ventos..............................................................................................12

Construção do Anemômetro..........................................................................................................13Materiais....................................................................................................................................13Fator de correção - Cálculo do Perímetro.................................................................................13

Sensores.........................................................................................................................................14Modo de Operação....................................................................................................................15

Construção do Cataventos.............................................................................................................162. CONSTRUÇÃO DE UM PLUVIÔMETRO COM SENSOR CAPACITIVO..............................17

Resumo..........................................................................................................................................17O que é um Pluviômetro?..........................................................................................................17Medida da Chuva......................................................................................................................17

Experimental..................................................................................................................................19Esquema Elétrico...........................................................................................................................20

Materiais....................................................................................................................................20Apendices.......................................................................................................................................21

Sensor De Nível Capacitivo Medição Contínua.......................................................................24Arquivo 555Asatel.asc – Software: LTspice.............................................................................26

3. CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETRO E UM PSICRÔMETRO COM SENSORES...........27Resumo..........................................................................................................................................27Temperatura...................................................................................................................................27

Medida da Temperatura (Termometria)....................................................................................28Dilatação de líquido..............................................................................................................28Dilatação de sólido...............................................................................................................28Pares termoelétricos.............................................................................................................28Resistência elétrica...............................................................................................................28Radiação infravermelho.......................................................................................................29

Cálculo da temperatura média do ar..........................................................................................29Temperatura média do ar em condições padronizadas..............................................................29

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 2

Estimativa da temperatura média mensal do ar.........................................................................30Umidade do Ar...............................................................................................................................31

Definições.................................................................................................................................31Equipamentos utilizados na determinação da Umidade do ar..................................................32

Psicrômetro...........................................................................................................................32Higrógrafo de Cabelo...........................................................................................................33Sensores Capacitivos............................................................................................................34

Variação Temporal da Umidade do ar.......................................................................................34Experimento...................................................................................................................................35

Materiais....................................................................................................................................354. CONSTRUÇÃO DE UM BARÔMETRO COM SENSOR BMP180 E ARDUINO.....................38

Resumo..........................................................................................................................................38Introdução......................................................................................................................................38Sobre O Barômetro........................................................................................................................39Pressão do ar em função da altitude (1 mmHg = 133 Pa)..............................................................40Sobre O Sensor Bmp180................................................................................................................41

Ligação Do Bmp180 Ao Arduíno.............................................................................................41Biblioteca E Programas.............................................................................................................42

Experimento...................................................................................................................................43Materiais....................................................................................................................................43Procedimentos...........................................................................................................................43

Esquemático - Conexões entre Arduíno Uno e Módulo BMP180 GY-68............................43Explicando As Funções Do Código......................................................................................44

5. CONSTRUÇÃO DE UM PIRANÔMETRO COM CÉLULA FOTOVOLTAICA........................45Introdução......................................................................................................................................45

1º Passo – Estudo da Teoria......................................................................................................452º Passo – Escolha da Célula Fotovoltaica...............................................................................453º Passo – Determinação da Isc Máxima da nossa CF..............................................................464º Passo – Determinação do valor de Rsh.................................................................................475º Passo – Leitura e conversão Analógico Digital, Fatos e Considerações...............................476º Passo – Amplificação do Sinal..............................................................................................487º Passo – Construção do medidor de Radiação Solar..............................................................49

Referências.....................................................................................................................................50APENDICE........................................................................................................................................51

Apendice A – Perguntas E Respostas.............................................................................................52Apendice B – Conceitos - Radiação Solar.....................................................................................53

Introdução.................................................................................................................................53Definições.................................................................................................................................54Leis da Radiação.......................................................................................................................55

Lei de Stefan - Boltzmann....................................................................................................55Lei de Wien..........................................................................................................................55

Apendice C – Códigos...................................................................................................................56Código Na Ide Arduino - Bmp180............................................................................................56Código Na Ide Arduino – Bmp180...........................................................................................56Código Na Ide Arduino - Bmp180............................................................................................57

Apendice D - Sensor De Temperatura E Pressao Bmp180............................................................58Apendice E – Biblioteca Bmp085.H..............................................................................................59Apendice F - Teste Módulo Pressão Bmp085 – Adafruit..............................................................61Apendice G - Bmp085 - Sensor De Pressao Digital......................................................................62Apendice H - Inscrições.................................................................................................................63Apendice I - Equipamentos E Compopnentes...............................................................................64Apendice J – Esquemático da Estação Completa..........................................................................77

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 3

RESUMO

O projeto consiste na construção de uma estação meteorológica capaz de medir a temperatura, a

umidade relativa do ar, a pressão atmosférica, a radiação solar, a direção e velocidade do vento e o

índice pluviométrico em Nova Trento. O projeto será desenvolvido com subprojetos a saber: Para

medir a direção e velocidade do vento será construída uma biruta e um anemômetro. Para medir a

quantidade de chuva será construído um pluviômetro com um sensor capacitivo. Para medir a

temperatura e a umidade relativa será utilizado o sensor lm35 e o dht11. Para medir a pressão

atmosférica será utilizado o sensor bmp180. Para a radiação solar faremos um sensor com célula

fotovoltaica. Os circuitos serão montados em ProtoBoard e posteriormente pode-se fazer uma placa

de circuito impresso definitiva. O sistema é alimentado com uma bateria de 9 V e as leituras são

feitas a partir de uma interface LCD. O estudante coleta as leituras em uma planilha e pode-se fazer

análises estatísticas com os dados. O sistema é composto por microcontroladores PIC16f877a da

microchip ou por Arduíno Uno e por sensores. O sensor LM35 é destinado para leitura precisa da

temperatura, o sensor DHT11 é destinado a leitura da umidade relativa do ar, o sensor BMP180 é

destinado a medir a pressão atmosférica, a radiação solar é medida com uma célula fotovoltaica de

250mW, o índice pluviométrico será medido com o auxílio de um sensor capacitivo construído com

placas de fenolito. O código pode ser escrito em linguagem de programação C e compilado no

MikoC for PIC ou Assembly e compilado no MPLAB X da microchip. O arquivo hexa gerado é

gravado no microcontrolador com o uso do pickit3 MPLAB IDE. O sistema pode der simulado no

Proteus. A PCI é elaborada no software Eagle, impresso em transparência e revelado ao sol (ou com

lâmpada UV) com tinta fotossensível sobre uma base de fenolito. A corrosão é feita com uma

mistura a base de ácido clorídrico e peróxido de hidrogênio sobre a placa de fenolito.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 4

INTRODUÇÃO

Clima e tempo

A atmosfera é uma massa em contínuo movimento e isto induz variações nas condiçõespredominantes numa região. O estado da atmosfera pode ser descrito por variáveis que caracterizamsua condição energética. Para um local, essa descrição pode ser tanto em termos instantâneos,definindo sua condição atual, como em termos estatísticos, definindo uma condição média.Portanto, introduz-se uma escala temporal na descrição das condições atmosféricas. Denomina-setempo à descrição instantânea, enquanto que a descrição média é denominada de clima. Logo,tempo é o estado da atmosfera num local e instante, sendo caracterizado pelas condições detemperatura, pressão, concentração de vapor, velocidade e direção do vento, precipitação; e clima éa descrição média, valor mais provável, das condições atmosféricas nesse mesmo local. Com adescrição climática sabe-se antecipadamente que condições de tempo são predominantes (maisprováveis) na região e, consequentemente, quais atividades agrícolas têm maior possibilidade deêxito.

Clima é uma descrição estática que expressa as condições médias (geralmente, mais de 30anos) do seqüenciamento do tempo num local. O ritmo das variações sazonais de temperatura,chuva, umidade do ar, etc, caracteriza o clima de uma região. O período mínimo de 30 anos foiescolhido pela Organização Meteorológica Mundial (OMM) com base em princípios estatísticos detendência do valor médio. Desse modo, inclui-se anos com desvios para mais e para menos emtodos os elementos do clima. Ao valor médio de 30 anos chama-se Normal Climatológica.

Elementos e Fatores Climáticos / Meteorológicos

Elementos são grandezas (variáveis) que caracterizam o estado da atmosfera, ou seja:radiação solar, temperatura, umidade relativa, pressão, velocidade e direção do vento, precipitação.Esse conjunto de variáveis descrevem as condições atmosféricas num dado local e instante.

Fatores são agentes causais que condicionam os elementos climáticos. Fatores geográficostais como latitude, altitude, continentalidade/oceanalidade, tipo de corrente oceânica, afetam oselementos. Por exemplo, quanto maior a altitude menor a temperatura e a pressão. A radiação solarpode ser tomada ou como fator condicionador ou como elemento dependente da latitude, altitude, eépoca do ano.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 5

OBJETIVO GERAL

Medir a temperatura, a umidade relativa do ar, a pressão atmosférica, a radiação solar, o índicepluviométrico, a velocidade e direção do vento em Nova Trento.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Construção de uma estação meteorológica• Estudo da linguagem de programação Assembly e C ANSI• Estudo de softwares para programação: MPLAB X (Linux), EAGLE (Windows), MicroC

PRO For PIC (Windows), Proteus (Windows), Arduino IDE (Linux), Code::Blocks (Linux).• Estudo de sistemas embarcados Arduino Uno (ATmega328P)• Corrosão de PCI/PCB, Construção de PCI• Sistemas de medidas de temperatura, umidade relativa do ar, pressão atmosférica e radiação

solar, direção e velocidade do vento.• Estudo de circuitos eletrônicos, microcontroladores, resistores, diodos, capacitores, leds, lcd,

etc.• Coleta e análise estatística de dados• Estudo do clima local e da rosa dos ventos.• Projeto para feira de ciências.

MATERIAIS

Componentes eletrônicos: Sensores, microcontroladores PIC16F877a e AVR ATmega328P, Cristaloscilador de 4MHz, Circuitos Integrados, fios, bateria de 9V, Resistores e Capacitores, Leds e LCD16x2, PCB/PCI, Tinta Fotossensível, Enegrecedor de Tôner, Transparência, parafusos, etc.

EQUIPAMENTOS

Gravador de pickit3, PROTOBOARD, ARDUÍNO UNO, Softwares: (MPLAB X, EAGLE,MICROC PRO For PIC, PROTEUS, ARDUINO IDE, CODE::BLOCKS), computador, impressoralaser, estanhador, multímetro.

CUSTOS

De acordo com a planilha de custos calculado em janeiro de 2017, serão gastos aproximadamenteR$ 570,00 na compra de componentes e materiais de consumo e 700,00 em materiais permanentes.Alguns equipamentos não consumíveis serão fornecidos pelo professor Édio. Os custos serãofinanciados pela APP, por submisão do projeto ao programa de financiamento do Turismo ou porpatrocinadores de empresas locais.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 6

CRONOGRAMA

• Pesquisa dos conceitos fundamentais de cada subprojeto• Estudo dos softwares e Planejamento do Circuito• Simulação com PROTEUS e Gravação dos microcontroladores• Testes preliminares de leitura com PROTOBOARD• Construção das PCI com EAGLE• Montagem e encapsulamento da estação• Coleta de dados e análise estatística• Conclusão e apresentação

DISCIPLINAS

• INFORMÁTICA (programas) - Prof. Édio• QUÍMICA (PCI/PCB) - Prof. Édio• BIOLOGIA (Coleta de dados) - Profa. Nadir• FÍSICA (Circuito e componentes eletrônicos) - Prof. Elói• FEIRA DE CIÊNCIAS – Prof. Eloi• GEOGRAFIA (Estudo do Clima Local) - Profa. Mª Inês• MATEMÁTICA (Estatísticas dos Dados) - Profa. Aparecida

PLANILHA DE CUSTOS (MAR/2017)

Em anexo temos a planilha de custos. Os valores poderão sofrer alterações devido aos custos dofrete e variação do comércio.Fontes: https://www.baudaeletronica.com.br/; Mercadolivre.com.br, usinainfo.com.br/.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 7

REFERÊNCIAS

Geral

1. Apostila da disciplina - LCE 306 – Meteorologia Agrícola - Universidade de São Paulo, EscolaSuperior de Agricultura “Luiz de Queiroz”, Departamento de Ciências Exatas, Piracicaba, SP,Fevereiro de 2007. Antonio Roberto Pereira, Luiz Roberto Angelocci e Paulo Cesar Sentelhas. 202P- http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/aulas/lce306/MeteorAgricola_Apostila2007.pdf2. Como Fazer Placa de Circuito PCI PCB Profissional Passo a Passo Tutorial - https://www.youtube.com/watch?v=NtVEvFsT46I 3. Como fazer placas de circuito impresso pelo método de transferência térmica - http://www.alan.eng.br/arquivos/fazendo_pcb.pdf 4. A melhor forma de confeccionar de placas de Circuito Impresso - http://singularidadegenerica.blogspot.com.br/2011/11/melhor-forma-de-confeccionar-de-placas.html5. Como Fazer Placa De Circuito Dupla Face | Vídeo Aula #77 - https://www.youtube.com/watch?v=DC0SQ--gb7M 6. Como Fazer Placa De Circuito Dupla Face | Vídeo Aula #77 - https://www.youtube.com/watch?v=Bt676kcQW1M 7. Lay-Out De Placas De Circuito Impresso | Vídeo Aula #39 - https://www.youtube.com/watch?v=B-ZG0DLYvUI 8. Como Preparar Percloreto De Ferro | Vídeo Aula #78.1 - https://www.youtube.com/watch?v=YpOjGj3_V_c9. Portal da meteorologia - https://pt.wikipedia.org/wiki/Portal:Meteorologia10. Loja - Bau da eletrônica - https://www.baudaeletronica.com.br/11. Mercado Livre - www.m ercadolivre.com.br12. Usina Info – www. usinainfo.com.br/13. EPAGRI/CIRAM - http://www.ciram.epagri.sc.gov.br/ 14. Funceme - Fundação Cearense de Meteorologia e Recursos Hídricos - http://www.funceme.br/ 15. Sistema Meteorológico do Paraná (SIMEPAR) - http://www.simepar.br/ 16. Instituto de Pesquisas Meteorológicas (IPMet - UNESP) - https://www.ipmet.unesp.br/ 17. Previsão de Tempo - CPTEC/INPE - http://satelite.cptec.inpe.br/ 18. Vídeos - CPTEC/INPE - http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/ 19. Agrometeorologia Videoaulas - https://www.youtube.com/watch?v=uWKQzdCZoe8 20. Dep de Engenharia de Biossistemas - http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/atlasolar.html

1. Biruta e Anemômetro

1. Rosa dos ventos - https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Rosa_dos_ventos&oldid=474998812. Anemômetro com Arduíno - https://www.youtube.com/watch?v=AgZYoUZm8_43. Como medir a velocidade do vento com Smartphone! - https://www.tubeid.co/download-video/tsK3z9SIqIC2m7k/como-medir-a-velocidade-do-vento-com-smartphone.html4. como hacer un anemômetro digital de cazoletas - https://www.tubeid.co/download-video/s7nRr_m6r7iqkMk/c%C3%B3mo-hacer-un-anem%C3%B3metro-digital-de-cazoletas.html5. Tutorial: Sensor Magnético com Arduíno - http://engcomper.blogspot.com.br/2011/09/tutorial-sensor-magnetico-com-arduino.html6. 2x Sensor Magnético 3144/3144e / Arduíno / Motor Brushles - http://produto.mercadolivre.com.br/MLB- 705790811-2x-sensor-magnetico-31443144e-arduino-motor-brushles-_JM

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 8

7. Sensor Magnético Porta Mc-38a Arduíno/pic - http://produto.mercadolivre.com.br/MLB-712926572-sensor-magnetico-porta-mc-38a-arduinopic-_JM8. Efeito Hall - Wikipédia- https://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito_Hall9. EFEITO HALL - Vídeo - https://www.youtube.com/watch?v=bHo6_jltfc810. Como funcionam os sensores de Efeito Hall - http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/6640-como-funcionam-os-sensores-de-efeito-hall-art105011. Ímã de neodímio - https://pt.wikipedia.org/wiki/%C3%8Dm%C3%A3_de_neod%C3%ADmio

2. Pluviômetro

1. Manual do mundo - Como fazer um pluviômetro, o medidor de chuvas (experiência) https://www.youtube.com/watch?v=XdVCuGnVDXc2. O que é um PLUVIÔMETRO? Agência Nacional de Águas - https://www.youtube.com/watch?v=3Xg1ofhUOGw3. Saiba como se mede a chuva - https://www.youtube.com/watch?v=gZSCrirZ5c44. Medidor de nível por capacitância – Universidade Federal de Itajubá – campos Itabira - https://www.youtube.com/watch?v=6zjUJM4_C7I5. Sensor de Nível:https://engc49.wordpress.com/2013/09/12/projeto-de-sensor-de-nivel/ - https://www.youtube.com/watch?v=Vtb4nRsoO8A 6. Tabela de equivalência de circuitos integrados - http://www.eletroaquila.net/equivalenciaci7. Circuits 555 Timer - http://www.williamson-labs.com/555-circuits.htm#60hz8. Recorde de precipitação (chuva) em Santa Catarina - http://ciram.epagri.sc.gov.br/index.php?option=com_content&view=article&id=1582:recorde-de-precipitacao-chuva-em-santa-catarina&catid=2&Itemid=101 9. http://www.ufjf.br/fabricio_campos/files/2011/08/pratica_2_aplicacoes_555.pdf - Aplicações do CI555;10. CI 555- Modo Astável (Oscilador) - http://labdegaragem.com/profiles/blogs/ci-555-modo-astavel-oscilador11.http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXvzqv.pdf - Datasheet ci 555.12. O CI 555 – Configuração Astável - http://eletronworld.com.br/eletronica/o-ci-555-configuracao-astavel/

3. Termômetro e Psicrômetro

1. Video aula: TERMÔMETRO COM PIC E LCD - Vídeo Aula #15.mp4 – canal wrkits -https://www.youtube.com/watch?v=sWosEVk8VXo 2. DHT11.c - Humidity e Temperature Sensor library for MikroC PRO PIC, Author: Tiago Melo,Blog: www.microcontrolandos.blogspot.com.br3. http://blog.novaeletronica.com.br/lm35-o-sensor-de-temperatura-mais-popular/4. Datasheet do lm35 - http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf

4. Barômetro

1. Barômetro - https://pt.wikipedia.org/wiki/Bar%C3%B3metro2. Datasheet bmp180 - https://www.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180-DS000-09.pdf3. Controlando temperatura e pressão com o BMP180 -http://blog.filipeflop.com/sensores/temperatura-pressao-bmp180-arduino.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 9

4. Barômetro BMP180 no Arduino -http://www.nadielcomercio.com.br/blog/2015/06/09/barometro-bmp180-no-arduino/5. Biblioteca do BMP180 para arduino - https://github.com/sparkfun/BMP180_Breakout6. Bosch Sensortec BMP180 - http://www.digikey.com/product-detail/en/bosch-sensortec/BMP180/828-1027-1-ND/2688260?WT.srch=1&mkwid=sfECzlykp&pcrid=90293092341&pkw=_cat%3Asensors%20transducers&pmt=b&pdv=c

5. Piranômetro

1. Vídeos - CPTEC/INPE - http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/ 2. Agrometeorologia Videoaulas - https://www.youtube.com/watch?v=uWKQzdCZoe8 3. Dep de Engenharia de Biossistemas - http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/atlasolar.html 4. CRESESB- Centro de Referência para Energia Solar e Eólica - http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata& 5. Measuring Solar Radiation - http://chuck-wright.com/projects/pv-measure.html 6. Sandaysoft > Cumulus - http://sandaysoft.com/products/cumulus 7. Slide - Radiação Solar - Balanço de energia Recurso - http://slideplayer.com.br/slide/284304/8 . Atlas Energia Solar - http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-energia_solar%283%29.pdf 9. Potencial Solar – SunData - http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 10

1. CONSTRUÇÃO DE UMA BIRUTA E DEUM ANEMÔMETRO

Prof. Édio Mazera – mazera3@gmail.com (Versão: 08/04/17 - 09:25:36)

Para medir a direção do vento será construída um cata-vento (biruta) e para medir a velocidade dovento um anemômetro.

Medida do vento

O regime de ventos é expresso por sua velocidade e direção. A velocidade é dada pelacomponente horizontal em m/s ou km/h, sendo que 1 m/s = 3,6 km/h. A direção dos ventos édefinida pelo seu ponto de origem, com 8 direções fundamentais: N, NE, NO, S, SE, SO, E e O.Nos sensores digitais a direção é dada em graus, ou seja: os pontos cardeais são: N = 0° = 360°; NE= 45°; E = 90°; SE = 135°; S = 180°; SW = 225°; W = 270°; NW = 315°.

Tabela 1 – pontos cardeais

Pontos cardeais Pontos colaterais Pontos subcolaterais

E: este ou leste NE: nordeste ENE: lés-nordeste NNO/NNW: nor-noroeste

N: norte NO ou NW: noroeste ESE: lés-sudeste SSO/SSW: su-sudoeste

O ou W: oeste SE: sudeste SSE: su-sudeste OSO/WSW: oés-sudoeste

S: sul SO ou SW: sudoeste NNE: nor-nordeste ONO/WNW: oés-noroeste

Os equipamentos medidores da velocidade do ventosão os anemômetros (Figura 1a). A velocidade é dada por umconjunto de três canecas (ou de hélices). O número de girosdas canecas (ou hélices), sendo proporcional à velocidade, étransformado em deslocamento (espaço percorrido) por umsistema tipo odômetro, nos equipamentos mecânicos. Oespaço percorrido dividido pelo tempo fornece a velocidademédia. Nos equipamentos digitais, cada rotação gera umpulso elétrico que é captado por um sistema eletrônico deaquisição de dados. Como cada pulso corresponde à distânciade um giro, contando-se o número de pulsos num intervalo detempo tem-se a distância supostamente percorrida pelo ar.Com a distância e o tempo de medida calcula-se a velocidademédia.

A direção é dada por biruta ou catavento. Em sistemasconvencionais, a direção é obtida por observação visual. Esseequipamento pode ser visto em pequenos aeroportos, onde ele éutilizado para permitir visualização por pilotos nos instantes depouso ou decolagem. Em postos agrometeorológicos, também écomum o uso de cataventos, sendo as direções do vento anotadasapenas nos horários padronizados de observações. Esseprocedimento permite apenas observações em períodos muitopequenos e esparsos durante o dia, não sendo adequado para sedeterminar bem o regime de ventos de uma região. Em sistemas

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 11

Figura 1a: Anemômetro utilizado em estações meteorológicas automáticas.

Figura 1b: Anemograma.

automatizados, a direção também é indicada por sensores eletrônicos, sendo expressa diretamenteem graus, e continuamente registrada.

Em postos agrometeorológicos convencionais de primeira classe, o equipamento mecânicoutilizado é o anemógrafo universal que permite o registro contínuo da velocidade acumulada,velocidade instantânea, e direção do vento, gerando um anemograma (figura 1b).

Direção Predominante dos Ventos

Quando se dispõe de medidas contínuas de direção dos ventos(anemogramas) por um período relativamente longo (alguns anos), pode-se elaborar uma tabela contendo a direção, em cada hora do dia, e calculara frequência relativa dos ventos em cada direção, determinando-se apredominância da circulação atmosférica no local. A visualização dosresultados fica mais evidente quando se usa um sistema gráfico. Arepresentação gráfica mais comum é por um sistema de quatro eixos quese cruzam num mesmo ponto, com um ângulo de 45° entre dois eixosadjacentes, sendo denominada de rosa dos ventos (Figura 2a).

Em cada ponta dos eixos marca-se uma direção, sendo que o N vaina ponta superior do eixo vertical, e o S na ponta oposta. No eixohorizontal marca-se E (L) à direita, e W (O) à esquerda. Os eixos diagonais representam as direçõesintermediárias (NW (NO), NE, SW (SO), SE). A escala de frequência é marcada igualmente emtodas as direções.

A rosa dos ventos é uma imagem que representa os quatro sentidos fundamentais e seusintermediários. A rosa dos ventos corresponde à volta completa do horizonte e surgiu danecessidade de indicar exatamente um sentido que nem mesmo os pontos intermediáriosdeterminariam, pois um mínimo desvio inicial torna-se cada vez maior, à medida que vaiaumentando a distância.

Assim, praticamente todos os pontos na linha do horizonte podem ser localizados comexatidão. Cada quadrante da rosa dos ventos corresponde a 90°: considera-se o norte a 0°; o leste a90°; o sul a 180°, o oeste a 270°, e novamente o norte a 360°.

A utilização de rosas dos ventos é extremamente comumem todos os sistemas de navegação antigos e atuais. Seu desenhoem forma de estrela tem a finalidade única de facilitar avisualização com o balanço da embarcação, portanto os quatropontos cardeais principais são os mais fáceis de ser notados: norte(0° de azimute cartográfico), sul (180°), este ou leste (90°) e oeste(270°). Dependendo do tamanho da bússola pode caber maisquatro pontos que são chamados de colaterais: nordeste (45°),sudeste (135°), noroeste (315°) e sudoeste (225°); se o visor formaior ainda costumam incluir mais oito pontos, os subcolaterais:nor-nordeste (22,5°), lés-nordeste (67,5°), lés-sudeste (112,5°),su-sudeste (157,5°), su-sudoeste (202,5°), oés-sudoeste (247,5°), oés-noroeste (292,5°) e nor-noroeste (337,5°).

Escala de Velocidade dos Ventos

A força do vento pode ser categorizada de acordo com a interação com objetos naturais,gerando uma escala de percepção que se tem da movimentação atmosférica. É uma categorizaçãoempírica associando-se a velocidade registrada com eventos característicos. Uma escala éapresentada na Tabela 2.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 12

Figura2a: Rosa dos ventos

Tabela 2. Escala adaptada de Beaufort para a velocidade do vento.

Escala Categoria Velocidade (km/h)

0 Calmo; fumaça vertical < 2

1 Quase calmo; fumaça desviada 2 a 5

2 Brisa amena; agitação das folhas 6 a 10

3 Vento leve; agitação de bandeiras 11 a 20

4 Vento moderado; poeira no ar 21 a 30

5 Vento forte; ondas em lagos e rios largos 31 a 40

6 Vento muito forte; 41 a 50

7 Vento fortíssimo; fios assobiam 51 a 60

8 Ventania; impossível caminhar 61 a 75

9 Vendaval; danos em edificações 76 a 100

10 Tornado, furacão; danos generalizados > 100

Para a construção do anemômetro utilizaremos as instruções do vídeo “como hacer un anemômetrodigital de cazoletas” disponível em https://www.tubeid.co/download-video/s7nRr_m6r7iqkMk/c%C3%B3mo-hacer-un-anem%C3%B3metro-digital-de-cazoletas.html. Porém iremos adaptar aleitura com Arduíno Uno e sensor.

Construção do Anemômetro

Materiais

1 tampa de conserva de diâmetro de 10cm, 4 meias esferas de a lumíneo ou plástico, madeira de100cm:20x25mm, Arduíno Uno, abraçadeiras plásticas2.5x100mm, brocas para metal nº 4, ímã eSensor Magnético, parafusos, porcas, presilhas e barra de ferro com rosca de 4mm, de acordo com ovídeo.

Fator de correção - Cálculo do Perímetro

Perímetro co anemômetro = 2 x 2 x pi x RPerímetro = 2 x pi x diâmetro externo da circunferênciaD = 27,5 cm = 275mm, P = 2.pi.275mm = 1728mm

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 13

sensor magnético para portas

BirutaFigura: Anemômetro de

molinete e cazoletas

Sensores

O sensor magnético será escolhido entre os disponíveis no comércio. A seguir apresentamos algunsdeles.

Sensor Magnético - REED SWITCH: São dispositivos que funcionam comointerruptores( liga/desliga ), acionados por campos magnéticos produzidos porímãs ou eletroímãs dele aproximados.

Sensor Efeito Hall OH1881 US18 US1881 Switch: Osinterruptores OH1881de efeito de Hall IC são compostos de umprotetor reverso, regulador de tensão, gerador de tensão Hall,amplificador diferencial, trigger Schmitt e uma saída de coletoraberto em um único chip de silício. Os CIs podem converter o sinal de campomagnético variável em saída de tensão digital.

A3144: é um sensor de efeito Hall fixado. Aproximando um magneto próximoao sensor o pino da saída muda seu estado. O sensor de efeito hall pode lidarcom uma fração da corrente que pode passar pelo interruptor.Voltagem operativa de 3,5V a 24V CC, Baixo consumo de corrente,Compensação de temperatura, Coletor aberto, Corrente de drenagem máxima50mA, Proteção contra polaridade reversa, Encapsulamento livre de chumbo:TO-92

O Sensor de Direção do Vento (Catavento), deve ser construído com placa dealumínio e barra de ferro galvanizado, deve ser preciso, confiável e durável.Projetado para operação desacompanhada de longa duração em ambientestropicais e poluídos, testado em túnel de vento, velocidade de até 160 km/h,erro menor que 3° (graus), temperatura de operação de - 10 a +70°C, Faixa deoperação de 0 a 360° (giro livre), de fácil instalação. O Sensor magnéticodeve possuir precisão para oito posições. O sensor deve estar diretamenteacoplado à biruta.

Para esse projeto optamos por 8 sensores de efeito hall A3144 que serão fixados em umaplaca na base do catavento com 45° de espaçamento entre eles conforme a figura (a). O esquema deligação segue a figura (b).

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 14

Figura (a): placa com sensores na base.

Sensor Magnético -REED SWITCH

Figura (b): ligação do A3144

Modo de Operação

Os sensores são alimentados com 5 volts e estão todos em nível zero de tensão. Quando o cataventogira em uma direção (por exemplo, Norte), um ímã acoplado ao eixo central do catavento aproxima-se do sensor nº 0 (Norte), elevando o nível de tensão deste pino que será registrado na entrada R0do microcontrolador e um algorítimo fará a interpretação imprimindo na tela LCD o texto “Direção:

Norte – 0°”. Se o catavento apontar para o sul (180°), o sensor nº 4 (Sul) eleva sua tensão e seráregistrado na entrada R4 e na tela LCD o texto “Direção: Sul – 180°” será impresso. Se oanemômetro acoplado ao cataventos ler velocidade zero, o algoritmo deve imprimir “Direção: SemVento”

A tabela a seguir define os níveis de tensão de cada uma das oito posições.PINOS DIREÇÃO ÂNGULO TEXTO

0 1 2 3 4 5 6 7 (graus) (impresso no LCD)

1 0 0 0 0 0 0 0 NORTE 0° Direção: Norte – 0°

0 1 0 0 0 0 0 0 Noroeste 45° Direção: Noroeste – 45°

0 0 1 0 0 0 0 0 LESTE 90° Direção: LESTE – 90°

0 0 0 1 0 0 0 0 Sudeste 135° Direção: Sudeste – 135°

0 0 0 0 1 0 0 0 SUL 180° Direção: Sul – 180°

0 0 0 0 0 1 0 0 Sudoeste 225° Direção: Sudeste – 225°

0 0 0 0 0 0 1 0 OESTE 270° Direção: OESTE – 270°

0 0 0 0 0 0 0 1 Nordeste 315° Direção: Nordeste – 315°

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 15

Figura: projeto no catavento

Construção do Cataventos

Materiais: Duas barras de ferro com rosca de 4mm x 100mm, uma de 15mm, roscas e tampas de4mm, canudo para a borboleta (seta), duas lâminas de alumínio de 20mmx150mm uma com comtrês furos de 4mm e uma com dois furos e uma cavidade para deslizar a barra central, ímã, umaplaca de circuito impresso de 10mmx20mm, 8 sensores A3144, 8 resistores de 10k e 1 capacitorcerâmico de 104 F, pic16f877a, display LCD 2x16 e componentes para o circuito do pic, fonte dealimentação de 9V..

Figura: Simulação do cata-vento no Proteus

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 16

2. CONSTRUÇÃO DE UM PLUVIÔMETROCOM SENSOR CAPACITIVO

Prof. Édio Mazera – mazera3@gmail.com (V 1.0 - 08/04/17 - 09:25:38)

Resumo

Para medir a quantidade de chuva será construído um pluviômetro com um sensor capacitivo. Oprojeto consiste no desenvolvimento de um sensor de nível de chuva por variação dielétrica em umcapacitor de placas paralelas. A implementação se dará por meio de duas placas de fenolitecobreadas, imersas num tanque e conectadas a um microcontrolador para processamento do sinal esaída de dados, através de um programa criado em linguagem C ou Assembly. O circuito serámontado primeiramente em uma ProtoBoard e posteriormente numa placa de circuito impressodefinitiva. O sistema é alimentado com uma bateria de 9 V e a leitura é feita a partir de umainterface LCD. O sistema é composto por um microcontrolador PIC16f877a da microchip, umCI555, um diodo, e alguns capacitores e resistores. O sensor será construído com um conjunto deduas placas de fenolito distantes 1cm uma da outra. Esse circuito permite medir o volume de chuvapela leitura da profundidade convertida em mm.

O que é um Pluviômetro?

Pluviômetro é o nome que se dá ao instrumento que mede a quantidade dechuva. Consiste normalmente em um tubo cilíndrico, com uma abertura no topo.

Definição do INPE: Instrumento meteorológico utilizado para medir aquantidade de água precipitada. Constitui-se, basicamente, num funil de captação eum reservatório, graduado em mm (unidade de medida de chuva). Os pluviógrafossão pluviômetros que possuem um sistema de registro contínuo num gráfico.

Definição da FUNCEME: Instrumento utilizado para medir a quantidade dechuva acumulada. No Brasil, os valores obtidos são usualmente apresentados emmilímetros.

Definição do INMET: Mede a quantidade de precipitação pluvial (chuva), em milímetros(mm).

Medida da Chuva

Um índice de medida da chuva é a altura pluviométrica, ouseja, é a altura acumulada de água precipitada, expressa emmilímetros (mm). Essa altura pluviométrica (h) é definida comosendo o volume precipitado por unidade de área horizontal doterreno, ou seja: h = 1 litro de água / 1 m de terreno = 1000cm³ / 10000 cm² = 0 , 1 cm = 1 mm de chuva .

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 17

Figura 1

Figura 1: Cubo ilustrando um tanque hipotético de 1m² de área de base. Se jogarmos 1L de águadentro desse cubo, teríamos uma lâmina de 1mm. Sendo assim, 1 mm de chuva corresponde a 1L dechuva em 1m² de área.

Outro índice de expressão da chuva é a sua intensidade (i), definida como a alturapluviométrica por unidade de tempo: i = mm / hora, podendo “i” ser expresso também em mm/min.Esse índice tem aplicação em dimensionamento de sistemas de drenagem e conservação do solo,tanto para a agricultura como para a construção civil.

O equipamento básico de medição da chuva é o pluviômetro (Figura 2), que é constituído deuma área de captação (≥ 100 cm²) e de um reservatório onde aágua da chuva é armazenada até o momento da leitura. Se opluviômetro tiver um sistema de registro contínuo daquantidade e da hora de ocorrência das chuvas, então ele édenominado pluviógrafo (Figura 2c). No pluviógrafo tipoHeilman há um reservatório com uma boia que armazena a águacoletada durante a chuva. Uma haste com uma caneta é fixada àboia, e esta ao se elevar com a entrada de água no reservatórioregistra sobre um diagrama denominando pluviograma. A cada10mm de chuva, o depósito é esgotado automaticamente por umsifão, gerando um traço vertical brusco. O total de chuva écontabilizado contando-se apenas os traços descritos nomovimento de subida da pena. As sifonadas apenas preparam oaparelho para continuar medindo chuva maior que 10mm.

A instalação desse equipamento é a 1,5m de altura, devendo a área de captação (boca doaparelho) estar bem nivelada. A coleta dos dados, normalmente, é feita todos os dias às 7 horas, noposto agrometeorológico convencional.

Nas estações automáticas o registro é contínuo obtendo-se valoresde intensidade e altura total diária das 0 às 24h. Nesse caso, opluviômetro é dotado de um sensor eletrônico em forma de báscula(Figura 1.d), que possibilita resolução de 0,1mm.

A construção de um pluviômetro é simples, podendo ser feitocom um garrafão (ou qualquer reservatório de água) e um funil coletor. É

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 18

Figura 2: Representação esquemática do pluviômetro (a); pluviômetro Ville de Paris (b); pluviógrafo convencional (c) e eletrônico (d).

Pluviômetro de Ville de Peris(diâmetro da boca: 226 mm)

fundamental que a boca do funil esteja nivelada horizontalmente para que sua área efetiva de coletacoincida com a área da boca. Conhecendo-se a área de captação do funil e o volume coletado a cadachuva, em cm³, determina-se a altura pluviométrica (h) pela relação: h = Volume coletado / Área daboca do funil.

É importante que o volume do reservatório seja adequado para conter o total de chuva possível naregião. Para maiores esclarecimentos sobre os cálculos consulte a referência.

Experimental

O medidor de nível por capacitância tem seu funcionamento baseado na variação do dielétrico entreas placas do capacitor, causando uma variação de tensão podendo assim ser transformada emnúmeros mensuráveis. O sensor é construído com placas de fenolito fixadas dentro de um tubo dePVC de dimensões adequadas (diâmetro de 150mm e altura de 200mm). Na boca do tubo é fixadouma boca de área de 400 cm² (40 000 mm²). A estação de Ponte Serrada, localizada no Meio Oestede Santa Catarina, registrou num só dia (24h) incríveis 100,2mm (29/09/2014), sendo o recorde deprecipitação para este período da estação.(fonte: ciram/epagri). Assim quando a água da chuva forcoletada, considerando a capacidade máxima de altura de 200mm desse pluviômetro, teríamos:

Parâmetro Cálculos Valor

Raio da boca √(Área boca/pi) = √(400 cm²/3,14) 11,3 cm

Diâmetro da boca 2 x 11,3 22,6 cm

Área do tubo pi x R² = 3,14 x (75 mm)² 17.662,5 mm²

Volume coletado A x h = 17.662,5 mm² x 200mm 3 532 500 mm³

índice pluv.máximo

Volume coletado / Área da boca = 3 532 500 mm³ / 40000 mm²

88,31 mm

Assim o para esse pluviômetro seria de 88,31 mm

Recorde de chuva: Maior quantidade de chuva em 1h: 305mm em Holt, Missouri, Estados Unidos,em 22 de junho de 1947. Maior quantidade de chuva acumulada em 24h: 1825mm em Foc-Foc, Ilhade Reunião, entre os dias 7 e 8 de janeiro de 1966, durante a passagem do ciclone tropical Denise

Em um típico dia medianamente chuvoso de São Paulo costuma chover cerca de 30-40mm de chuvapor dia, ao longo do dia inteiro.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 19

Esquema Elétrico

Materiais

1 bateria de 9V, 1 placa universal protoboard , 1 CI NE 555, 3 capacitores (1 de 100 μF, 2 de 10nF), 4 Resistores (1kΏ, 100kΏ, 270Ώ, e 160Ώ), 1 diodo 1N4148, 2 placas de fonolite (20x10 cm),uma folha de papel contacte, Arduino Uno, lcd 2x16.

O Timer 555 é um circuito integrado mais populares e versáteis do mercado. Podeser usado como oscilador, temporizador, geradores de pulso, etc. O CI 555 seráutilizado como temporizador ligado para operação Astável como na Figura 10 comum sinal de modulação novamente aplicado ao terminal de tensão de controle. Aposição de impulso varia com o sinal de modulação uma vez que a tensão de limiar.

Em anexo apresentamos o código para arduino e o circuito completo para Ltspice.XVII (.asc)

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 20

Apendices

Sensores: São dispositivos eletroeletrônicos que têm a propriedade de transformar uma grandezafísica, que está relacionado com suas propriedades, em um sinal elétrico. Exemplos de sensores sãoos fotodiodos, microfones, termistores, etc.

Sensores capacitivos: Esses sensores têm a capacidade de detectar a aproximação/variação deobjetos/grandezas sem que seja necessário o contato propriamente dito, isso é possível por seufuncionamento ser fundamentado na variação da capacitância.

Sensores capacitivos e medição de nível: Sensores capacitivos podem ser usados para determinarnível de fluídos tanto como interruptores (dando informações em tempos determinados – on-off) oucomo indicadores contínuos.

Um típico sensor capacitivo para medição contínua de nível consiste em uma haste isolada oualgum eletrodo similar – no caso do projeto aqui descrito, placas de fenolite cobreadas emdisposição paralela. O sensor é instalado dentro do um pluviômetro e, à medida que o espaço entreas placas vai sendo preenchido pelo fluído em questão, a capacitância cresce na proporção do nível.A leitura dessa capacitância é feita por um circuito que a interpreta e lineariza usando ummicrocontrolador.

A construção do sensor se deu como mostra a figura ao lado.

Em um protótipo de tanque, foram postas as placas de fenolite que junto aodielétrico formam o capacitor usado cujas características são dadas (Asplacas utilizadas, bem como seus conectores, foram envernizadas paraevitar a condução quando em contato com o fluido – nesse caso a água)

C = ε0 εr A / d , onde:

C é a capacitância (F), ε0 é a permissividade eletrostática do vácuo (8,845.10 ¹² F/m);⁻

εr é a permissividade relativa (no caso da água 80 F/m), A é a área da placa (m²);

d é a distância entre as placas (m).

Tem-se então uma associação de capacitores em paralelo, os capacitores são distinguidos por seusdielétricos (um usa a água (o fluído utilizado) enquanto o outro usa o ar).

Equacionando essa associação chega-se a expressão que dá valor à capacitância resultante nosensor:

Cr = Cágua + Car

Aplicando os valores dados acima chega-se a:

Cágua = (8,845.10 ¹² . 80 . Nível . 0,015m) / 0,01m⁻

Car = (8,845.10 ¹² . (0,15-Nível) . 0,015m) / 0,01m⁻

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 21

Essa equação dá um valor teórico, contudo, na prática esse valor sofre pequenas alterações peloefeito de borda do capacitor onde o campo sofre distorções.

O circuito utilizado para conversão está descrito na figura abaixo:

Para controle do microcontrolador foi desenvolvido um código em C que segue:

int pino = A0; // Entrada

double sensor = 0; // Valor do sensor

double tensao = 0; // Valor da tensão

double altura = 0; // Valor da altura

void setup() {

//setup serial

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

//Leitura do valor do do sensor

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 22

sensor = analogRead(pino);

tensao = (sensor)*(4.3)/(1023); //resolução de 10 bits

altura= ((tensao)-4.0777777)/(-0.13333333333333);

Serial.println(altura);

delay(200);

}

Como a variação da capacitância encontrada não apresentava comportamento linear e, olinearização pelo método dos mínimos quadrados não apresentou um resultado satisfatório, fez-seuso do MATLAB, aplicando a função fittype, para que obter um polinômio de linearização de grauelevado (o usado foi de 4º grau). Dessa forma, o tratamento dos dados feitos pelo ARDUINOapresentaram um resultado mais coerente. O código desenvolvido em MATLAB para a obtençãodesse polinômio segue abaixo:

g=fittype(‘a*x^5+b*x^4+c*x^3+d*x^2+e*x+f’,’coeff’,{‘a’,’b’,’c’,’d’,’e’,’f’});[c2,gof2]=fit(x’,y’,g);

Onde ‘x’ e ‘y’ são matrizes com os valores obtidos experimentalmente.

Conclusão:

Ao realizarmos este trabalho, pudemos, de uma só vez utilizar vários conhecimentos das diversasáreas da engenharia elétrica para um fim específico, a medição de uma grandeza. Para o nosso casoespecifico, a grandeza a ser medida foi a tensão nos terminais do capacitor que variavaexponencialmente com altura do nível da água no reservatório.

A princípio, poderíamos ter comprado o sensor capacitivo, contudo, diante da oportunidade departiciparmos efetivamente de todas as fase da implementação do projeto, resolvemos confeccioná-lo com placas de circuito impresso (placa de fenolite). Tivemos algumas dificuldades ao decorrer doandamento do projeto, principalmente quanto à sensibilidade do sensor, calibração, acurácia dasmedidas e condicionamento do sinal para que o mesmo fosse lido pelo Arduino. Resolvido estesproblemas, conseguimos o pleno funcionamento sensor de nível, com uma precisão, dada pelalinearização no Matlab, de aproximadamente 95%. E com isso, conseguimos associar osconhecimentos teóricos adquiridos ao longo do curso de engenharia elétrica, os novos obtidos nadisciplina Medição de Grandezas Físicas com a pratica.

Por fim, com base nesse projeto, vimos inúmeras aplicações praticas que poderia ser implementadasa baixo custo para fins diversos, desde medir a quantidade de água em um tanque residencial amedir altura de líquidos em recipientes nos locais remotos.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 23

Sensor De Nível Capacitivo Medição Contínua

INTRODUÇÃOO nível é uma variável muito importante na indústria, sendo o controle deste feito através de diversos sensores disponíveis na atualidade; um deles foi o primeiro projeto do grupo, que consistia em um sensor de nível fixo.

SENSOR DE MEDIÇÃO CONTÍNUAUma das vantagens do uso de um sensor de medição contínua é que não existem 'pontos cegos' no circuito, isto é, o sensor consegue, através da resolução, medir todos os pontos do vasilhame, e indicar quão cheio encontra-se este.

Princípios usados no sensor

CAPACITIVOO principio deste sensor é a capacitância entre as duas placas de fenolite; a variação da capacitânciaentre as placas ocorre pela introdução de um dielétrico, no caso a água destilada, entre as placas.

CIRCUITOA variação de capacitância causada pelo dielétrico causa uma variação de tensão no circuito, sendo captada pelo multímetro e transformada em números mensuráveis.

CAPACITÂNCIAA presença de um dielétrico entre a placas do capacitor causa uma queda de tensão no capacitor, têm-se a relação: V = 1/k * Vo. Assim o novo potencial diminui por um fator 1/k em relação ao potencial Vo, na ausência do dielétrico

Circuito

Materiais utilizados

RESISTORESUtilizados neste circuito para controlar a corrente e tensão que passa para o CI e para os capacitores.

CAPACITORESOs capacitores armazenam cargas elétricas e nos circuitos geralmente sao utilizados como estabilizadores de tensão

CI 555O circuito integrado CI/NE 555 consiste num envolucro DIP com 8 pinos: terra, disparo, saída, reset, tensão de referência, limiar, descarga e alimentação. Neste circuito funciona como um oscilador.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 24

DIODOO diodo é um semicondutor utilizado como retificador de corrente elétrica; é utilizado para permitir a passagem de determinada carga em um sentido somente.

PLACA FENOLITEA placa de fenolite foi utilizada como armadura do capacitor montado; é composta de uma fina camada de cobre revestida por fenolite (um plástico isolante). É utilizada como trilha em circuitos eletrônicos

Materiais utilizados- 4 Resistores (150Ω, 270Ω, 1kΩ e 100kΩ), - 2 Capacitores de 10nF e 1 de 100uF, - CI 555, - Diodo1N4148- Fonte regulável, - Placa de fenolite

Conclusão

CAPACITÂNCIAPode-se comprovar a teoria dos dielétricos nos capacitores, pois a presença de um líquido entre as placas do capacitor provocou uma variação de capacitância, e consequente variação de tensão no circuito

MEDIÇÃO DO NÍVEL DE ÁGUAAtravés da resolução do sistema é possível medir a quantidade de água pela simples multiplicação da variação de tensão X resolução.

RESOLUÇÃO DO SISTEMAA resolução do sistema é medida através da razão volume do vasilhame pela variação de tensão nos pontos do circuito. O módulo da resolução ocorre por que a tensão final é menor que a tensão inicial(queda de tensão pelo dielétrico)r = |V/ΔU| = |V/ΔU| r = 1,03 L/V

CONSTANTE DIELÉTRICA DA ÁGUAA água apresenta uma constante dielétrica cerca de 80 vezes maior que a do ar. (Ar = 1 e Água = 78,2)

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 25

Arquivo 555Asatel.asc – Software: LTspice

Version 4SHEET 1 1048 680WIRE 768 -64 464 -64WIRE 880 -64 768 -64WIRE 992 -64 880 -64WIRE 880 -16 880 -64WIRE 496 48 432 48WIRE 736 48 720 48WIRE 768 48 768 -64WIRE 768 48 736 48WIRE 880 80 880 64WIRE 880 80 768 80WIRE 992 80 992 -64WIRE 880 96 880 80WIRE 496 112 448 112WIRE 768 112 768 80WIRE 768 112 720 112WIRE 16 176 -80 176WIRE 112 176 16 176WIRE 176 176 112 176WIRE 288 176 240 176WIRE 304 176 288 176WIRE 496 176 384 176WIRE 768 176 720 176WIRE 880 176 768 176WIRE -80 224 -80 176WIRE 16 224 16 176WIRE 112 224 112 176WIRE 288 240 288 176WIRE 464 240 464 -64WIRE 496 240 464 240WIRE 800 240 720 240WIRE 880 240 880 176WIRE 800 256 800 240

WIRE 448 304 448 112WIRE 768 304 768 176WIRE 768 304 448 304WIRE -80 336 -80 304WIRE 16 336 16 288WIRE 16 336 -80 336WIRE 112 336 112 304WIRE 112 336 16 336WIRE 288 336 288 304WIRE 288 336 112 336WIRE 432 336 432 48WIRE 432 336 288 336WIRE 800 336 800 320WIRE 800 336 432 336WIRE 880 336 880 304WIRE 880 336 800 336WIRE 992 336 992 160WIRE 992 336 880 336WIRE 1024 336 992 336FLAG 480 32 1FLAG 480 96 2FLAG 480 160 3FLAG 480 224 4FLAG 736 48 8FLAG 736 96 7FLAG 736 160 6FLAG 736 224 5FLAG 1024 336 0SYMBOL Misc\\NE555 608 144R0SYMATTR InstName U1SYMBOL voltage 992 64 R0WINDOW 123 0 0 Left 2WINDOW 39 0 0 Left 2

SYMATTR InstName V1SYMATTR Value 5VSYMBOL cap 784 256 R0SYMATTR InstName C1SYMATTR Value 10nFSYMBOL cap 864 240 R0SYMATTR InstName C2SYMATTR Value 27nFSYMBOL res 864 80 R0SYMATTR InstName R4SYMATTR Value 100SYMBOL res 864 -32 R0SYMATTR InstName R3SYMATTR Value 100SYMBOL res 400 160 R90WINDOW 0 0 56 VBottom 2WINDOW 3 -60 57 VTop 2SYMATTR InstName R1SYMATTR Value 1kSYMBOL res 96 208 R0SYMATTR InstName R2SYMATTR Value 100kSYMBOL diode 240 160 R90WINDOW 0 0 32 VBottom 2WINDOW 3 -53 33 VTop 2SYMATTR InstName D1SYMATTR Value 1N4148SYMBOL cap 272 240 R0SYMATTR InstName SensorSYMATTR Value 2nSYMBOL cap 0 224 R0SYMATTR InstName C3SYMATTR Value 100µTEXT -96 360 Left 2 !.op 10ms

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 26

3. CONSTRUÇÃO DE UM TERMÔMETROE UM PSICRÔMETRO COM SENSORES

Prof. Édio Mazera – mazera3@gmail.com (Versão: 08/04/17 - 09:25:39)

Resumo

Neste projeto. para medir a temperatura do meio ambiente usaremos um sensor LM35 e ummicrocontrolador pi16f877a. Para e a umidade relativa será utilizado o sensor DHT11 que mede aumidade relativa do ar. O sistema será encapsulado em um envólucro de venezianas para proteçãoda radiação solar direta.

Temperatura

A energia radiante que atinge a superfície terrestre será destinada a alguns processos físicosprincipais, e dentre esses um (convecção) está relacionado ao aquecimento do ar e outro (condução)ao aquecimento do solo, portanto, responsáveis pelas variações de temperatura nesses meios. Atemperatura é um índice que expressa a quantidade de calor sensível de um corpo. A temperatura doar é um dos efeitos mais importantes da radiação solar. O aquecimento da atmosfera próxima àsuperfície terrestre ocorre principalmente por transporte de calor, a partir do aquecimento dasuperfície pelos raios solares. O transporte de calor sensível ocorre por dois processos: Conduçãomolecular, que é processo lento de troca de calor sensível, pois se dá por contato direto entre“moléculas” de ar; logo, esse processo tem extensão espacial muito limitada, ficando restrito a umafina camada de ar próxima à superfície aquecida (camada limite superficial) e Difusão turbulenta,que é processo mais rápido de troca de energia, pois parcelas de ar aquecidas pela superfície entramem movimento convectivo desordenado transportando calor, vapor d’água, partículas de poeira, etc,para as camadas superiores.

As variações temporal e espacial da temperatura do ar são condicionadas pelo balanço deenergia na superfície. Assim, todos os fatores que afetam o balanço de energia na superfícieinfluenciam também a temperatura do ar. Entre esses fatores destacam-se aqueles que ocorrem naescala macroclimática, com predominância dos efeitos da irradiância solar, ventos, nebulosidade,transporte convectivo de calor, e concentração de vapor d’água naatmosfera; na escala topoclimática, em que a exposição e aconfiguração do terreno são os moduladores da temperatura do soloe do ar; na escala microclimática, em que o fator condicionante é acobertura do terreno.

Para fins meteorológicos e climatológicos, a temperatura doar é medida sob uma condição de referência (padrão), para que sepermita comparação entre locais diferentes. A condição padrão paraa medida da temperatura do ar é sobre área plana (topoclima) egramada (microclima), sendo a temperatura registrada emdiferentes locais consequência apenas do macroclima. A alturamedida é entre 1,5 a 2,0 m acima da superfície, dentro de umabrigo meteorológico que permita a livre passagem do ar mas impeça a incidência de radiação solarnos equipamentos. Esse abrigo pode ser de paredes tipo venezianas, como nas Estações

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 27

Figura 1: Abrigos meteorológicos utilizados em Estações Meteorológicas.

Meteorológicas Convencionais (Figura 1a), ou constituído de multi-placas, como nas EstaçõesMeteorológicas Automáticas (Figura 1b).

O padrão típico de variação diária da temperatura do aré semelhante ao da Figura 2. Observa-se, que a temperaturamáxima ocorre com uma defasagem de 2 a 3 horas em relaçãoao horário de maior irradiância solar (12h), enquanto que atemperatura mínima ocorre um pouco antes do nascer do sol,em função do resfriamento noturno. Esse padrão pode seralterado em função das condições macroclimáticas vigentes,como entrada de uma frente fria, chuvas, nebulosidade intensa,ventos fortes, etc.

Medida da Temperatura (Termometria)

A temperatura é medida com termômetros, que podem ser divididos em 5 grupos, de acordo com oprincípio físico utilizado pelo sensor de temperatura.

Dilatação de líquido

Os termômetros baseados neste princípio são os mais comuns, consistindo de um capilar de vidro,onde uma coluna de líquido (álcool ou mercúrio) se dilata/contrai com o aquecimento/resfriamento.Num posto agrometeorológico convencional, os termômetros de máxima, de mínima,geotermômetros e o conjunto psicrométrico são desse tipo.

Dilatação de sólido

Instrumento desse tipo baseia-se no princípio de que um sólido ao se aquecer sofre dilataçãoproporcional ao aquecimento. O mais comum é o termógrafo, constituído de placa metálica emforma de anel, que ao se dilatar e se contrair, de acordo com as variações de temperatura do ar,aciona um sistema de alavancas ligado a uma pena sobre um diagrama colocado sobre um sistemade relojoaria, permitindo o registro contínuo (diário ou semanal) da temperatura do ar. São muitoutilizados em postos agrometeorológicos convencionais.

Pares termoelétricos

O princípio físico de um termopar é o mesmo utilizado nos sensores de radiação solar. No caso dotermopar, uma das junções (união de dois metais diferentes) é colocada no abrigo meteorológico,enquanto outra junção (tomada como referência) é colocada num sistema cuja temperatura éconhecida (temperatura de referência, normalmente medida em gelo fundente ou com termistor).Essa diferença de temperatura entre as duas junções gera uma força eletromotriz (f.e.m.)proporcional a ela, permitindo ótima precisão e sensibilidade de medida. Com uma constante decalibração o valor da f.e.m. é transformado em temperatura. Uma vantagem desse tipo determômetro é que eles geram sinais elétricos que podem ser registrados ou armazenados emsistemas automatizados de aquisição de dados; outra vantagem é permitir miniaturização.

Resistência elétrica

Os termômetros de resistência elétrica baseiam-se no princípio de que a resistência elétrica demateriais varia com a temperatura. Os metais utilizados para construção desses termômetros são oníquel, a platina, o tungstênio, e o cobre. Um caso especial são os termistores, constituídos de

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 28

Figura 2: Variação diária da temperatura do ar.

material semicondutor, com coeficiente térmico negativo, e que permitem acoplamento a sistemasautomatizados de coleta de dados.

Radiação infravermelho

Baseia-se na detecção da radiação eletromagnética emitida pelos corpos terrestres (Lei de Stefan-Boltzmann). Esse instrumento é utilizado para detecção da temperatura da superfície de um corpo,sendo utilizado em satélites meteorológicos, mas são de pouca aplicação em postosagrometeorológicos.

Para se medir a temperatura do ar pode-se utilizar todos os tipos de termômetros, comexceção do infravermelho. Os de dilatação de líquido e de sólido são normalmente utilizados empostos agrometeorológicos convencionais, enquanto que os termopares e os termistores sãoutilizados em estações meteorológicas automáticas.

Cálculo da temperatura média do ar

Em climatologia as temperaturas do ar são expressas em valores médios (diários, mensais, eanuais), valores extremos (máxima e mínima), e amplitudes correspondentes. O cálculo datemperatura média (Tmed) é tanto mais exato quanto maior for o número de observações no períodoconsiderado. Inúmeras são as fórmulas para cálculo da temperatura média, mas serão apresentadasapenas as mais comuns. Algumas delas são adotadas por órgãos responsáveis por redes públicas deestações meteorológicas.

Temperatura média do ar em condições padronizadas

A fórmula mais usada no território brasileiro é aquela usada pelo Instituto Nacional de Meteorologia(INMET), do Ministério da Agricultura, que é o órgão responsável pela rede meteorológicabrasileira. Sua fórmula baseia-se em duas medidas feitas em horários padronizados pelaOrganização Meteorológica Mundial, ou seja, às 9h da manhã (T9h ), e às 21 horas (T21h), quecorrespondem às 12h e às 24h GMT (Hora do Meridiano de Greenwhich, observatório próximo aLondres), completada por outras duas medidas correspondentes aos valores extremos do dia (Tmáxe Tmín), ou seja,

INMET : Tméd = (T9h + Tmáx + Tmín + 2.T21h) / 5.⇒

Com o desenvolvimento da microeletrônica, apareceram os sensores de custo mais reduzido e como atrativo de não se necessitar de observador, e com a possibilidade de acesso remoto às medidasem qualquer instante. Apareceram as estações automatizadas com a possibilidade de observaçõesem intervalos bem reduzidos, aumentando a qualidade das medidas e das estimativas dos valoresmédios.

Estações Automáticas: Tmed = ΣTar / No⇒sendo que No representa o número de observações feitas (depende da programação do sistema deaquisição de dados), e Tar é a temperatura de cada observação. É importante notar que nesse caso,as observações são contadas entre as 0 e as 24 horas, em função da programação do sistema deaquisição automática dos dados.

A Tabela 1 apresenta comparação entre os três métodos de estimativa da Tmed e aquela obtida poruma estação automática (EMA), para um dia de cada estação do ano, em Piracicaba, SP. A Tmed daEMA foi calculada com 86400 valores obtidos a cada segundo, e por isso foi tomada como

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 29

referência (Tmed real) para comparação das fórmulas mais simples. Foram escolhidos dias comextremos de nebulosidade (n). Observa-se que, em geral, quanto maior o número de amostras para aobtenção da Tmed, menor a diferença em relação ao valor médio real. Dias com alta nebulosidade,isto é, com baixos valores de n, mostraram que todas as fórmulas funcionam adequadamente. Noentanto, à medida que a nebulosidade vai diminuindo, as diferenças aumentam. Analisando dadosdiários automatizados de 13 meses, obtidos em Piracicaba, SP, verificaram diferença média de –1,2°C entre a média real (EMA) e a média dada por valores extremos (Tmed Extremos).

Tabela 1. Comparação entre valores de temperatura média diária (Tméd, °C) estimada pelasdiferentes fórmulas, e respectivas diferenças (∆) em relação à EMA. Piracicaba, SP

X Qg n Tméd Tméd Tméd Tméd ∆1* ∆2* ∆3*

DIA MJ/m2 d (h) EMA IAC INMET Extremos x x x

06/01/99 3,0 0,0 20,8 20,5 20,7 20,8 -0,3 -0,1 0,0

20/01/99 30,0 10,2 27,5 27,2 27,2 28,2 -0,3 -0,3 +0,7

20/06/99 1,5 0,0 14,9 14,8 14,6 15,0 -0,1 -0,3 +0,1

14/10/99 23,3 8,8 24,4 23,9 23,7 25,3 -0,5 -0,7 +0,9* ∆1 = IAC - EMA; ∆2 = INMET - EMA; ∆3 = Extremos – EMA.

Estimativa da temperatura média mensal do ar

Em muitas situações, principalmente quando se planeja uma atividade agrícola, é importante saber-se a temperatura média mensal de um local. A temperatura média mensal pode ser calculada a partirdas temperaturas médias diárias. No entanto, nem todos locais dispõem de posto meteorológico, ena falta de tais observações, pode-se estimar um valor médio mensal normal (média de vários anos)pelas coordenadas geográficas. Esse procedimento baseia-se no fato de que a temperatura média doar é função da Latitude (devido à relação entre esta e a irradiância global) e da Altitude (efeito davariação de pressão), sendo às vezes necessário introduzir a Longitude (efeito da localizaçãopróxima ao litoral ou no interior do continente). Tais equações são obtidas por análise estatística deregressão, sendo do tipo Tmed = a + b ALT + c LAT + d LONG em que Tmed é a temperaturamédia do ar num dado mês, expressa em °C; ALT é a altitude do local, em metros; LAT é a latitude,e LONG a longitude, ambas dadas em minutos; e os parâmetros a, b, c, e d são determinados para aregião como um todo. Os coeficientes para esse tipo de equação existem para vários estadosbrasileiros (Tabela 2).

Tabela 2. Valores dos coeficientes a, b, c e d da equação de estimativa da Tmed para o estado deSanta Catarina. Fontes: Tubelis & Nascimento (1980)

Cf. Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

a 14,23 17,24 24,28 33,93 34,38 29,49 32,04 22,78 14,94 11,29 5,69 6,70

b -0,0053 -0,0052 -0,0053 -0,0052 -0,0054 -0,0053 -0,0048 -0,0043 -0,0044 -0,0047 -0,0048 -0,0051

c 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

d 0,0035 0,0024 -0,0002 -0,0052 -0,0054 -0,0043 -0,0055 -0,0021 0,0010 0,0047 0,0053 0,0056

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 30

Umidade do Ar

A existência de água na atmosfera e suas mudanças de fase desempenham papelimportantíssimo em vários processos físicos naturais, como o transporte e a distribuição de calor naatmosfera, a evaporação e evapotranspiração, a absorção de diversos comprimentos de onda daradiação solar e terrestre, etc. A presença de vapor d’água na atmosfera é igualmente importantecomo condicionante de ocorrência e controle de pragas/moléstias vegetais e animais, e tambémcomo determinante da qualidade, do armazenamento, da conservação dos produtos agrícolas, bemcomo do conforto animal.

Definições

O teor de vapor d’água na atmosfera varia desde valores quase nulos, em regiões desérticas epolares, até valores de 4% (em volume de ar úmido) nas regiões quentes e úmidas. O ar atmosféricoé composto de uma mistura de gases e vapores. De acordo com a Lei de Dalton das pressõesparciais, cada constituinte atmosférico exerce pressão sobre a superfície independente da presençados outros, de tal modo que a pressão total (atmosférica) é igual à soma das pressões de cada gás ouvapor. Como no presente caso o objetivo é estudar a pressão exercida pelo vapor d'água, pode-seconsiderar a pressão atmosférica (Patm) como sendo composta pela pressão exercida por todos osconstituintes atmosféricos exceto o vapor d'água (Par seco) mais a pressão exercida pelo vapord'água (Ea), ou seja: Patm = Par seco + Ea. Unidades de Pressão: 1atm = 760 mmHg = 1013,3 mb = 1013,3 hPa = 101,33 kPa = 0,10133 MPa

O símbolo Ea foi convencionado para representar a pressão exercida pela massa atual de vapord'água existente na atmosfera. A pressão parcial de vapor (Ea) varia desde zero, para o ar totalmenteseco, até um valor máximo denominado de pressão de saturação de vapor d’água (Es).Pela Lei dos gases ideais, verifica-se que em condição de pressão constante, o volume de umamassa de ar é diretamente proporcional à sua temperatura (V = n.R.T/P). Portanto, o volume de arse contrai ou expande com a variação de T. Essa variação de volume impõe um limite à quantidadede vapor d'água que pode ser retida pelo volume.Quanto maior T, maior essa quantidade. Logo, a quantidade máxima (saturante) de vapor d'águapode ser descrita por uma função da temperatura ambiente. A pressão exercida pelo teor saturantede vapor d'água é representada por Es, e sua dependência da T pode ser descrita pela equação deTetens, isto é;

es=0,6108 107,5T AR

237,3+T ARkPa

em que Tar é a temperatura do ar, em °C, e Es expressa em kPa.A Figura 3 mostra uma representação gráfica da equação de Tetens, denominada Gráfico

Psicrométrico. O déficit de saturação de vapor do ar (∆e) é obtido pela diferença entre Es e Ea, queé representado pela barra vertical da Figura 3, ou seja, ∆e = Es - Ea. A quantificação da umidade atmosférica (vapor d’água contido na atmosfera) é dada pela relaçãoentre a massa de vapor pelo volume de ar (g H2O/m³ de ar), denominada massa específica (ouUmidade Absoluta, UA), que pode ser calculada a partir da equação de estado dos gases ideais: P V= n R T.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 31

Essa equação, aplicada ao vapor d’água no ar, torna-se:Ea V = (mv / Mv) R T

sendo Ea em kPa; Mv = 18,015 g mol-1; e R = 8,31 10-³ kPa m³/ mol.K, T em K, tem-se:mv / V = (Mv / R) (Ea / T)

Mv / R = 18,015 / 8,31.10-³ = 2168 g K/ kPa m³ UA = 2168 Ea / T [g H2O /m³ de ar].

No caso da unidade utilizada de Ea ser em mmHg, o quociente M v / R ≈ 289 g K /mmHg m³.A umidade de saturação (US) pode ser obtida da mesma forma inserindo-se Es no lugar de Ea, ouseja:

US = 2168 Es / T [g H2O / m³ de ar].

A umidade relativa do ar (UR%) é definida pela razão entre a umidade atual e a umidade desaturação, que equivale à relação entre Ea e Es, conforme mostrado abaixo:

Equipamentos utilizados na determinação da Umidade do ar

Para a determinação da umidade relativa do ar utilizam-se equipamentos que têm algumapropriedade associada ao teor de vapor d'água contido na atmosfera. Alguns são extremamentesimples, não necessitando mais que um par de termômetros. Os principais instrumentos utilizadossão descritos abaixo.

Psicrômetro

É constituído de dois termômetros (Figura 4), sendo um com o bulbo seco que mede a temperaturareal do ar, e outro com o bulbo envolto em uma gaze sempre umedecida, que perde água a uma taxadependente da concentração de vapor no ar; quanto menor for Ea, menor será a temperatura dessetermômetro em relação ao àquela do bulbo seco. Quanto maior a diferença entre essas temperaturas,

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 32

Figura 3: Gráfico Psicrométrico.

maior o poder evaporante do ar, indicando que a concentração de vapor d'água na atmosfera estádistante do valor saturante, isto é, que a UR é baixa. Quando as temperaturas desses termômetros seaproximam significa que o teor atual de vapor d'água está próximo do valor de saturação, ou seja,que a UR é alta.

Com a temperatura do bulbo seco (Ts) determina-se o valor de Es pela equação de Tetens,fazendo-se Tar = Ts. Similarmente, com a temperatura do bulbo molhado (Tu), determina-se Esutambém pela equação de Tetens, fazendo-se Tar = Tu. A pressão atual de vapor Ea é determinadapela equação psicrométrica: Ea = Esu – A P (Ts - Tu) (kPa), sendo P a pressão atmosférica local, emkPa; e A é um coeficiente psicrométrico.

Ao produto A P, da equação, denomina-se de constante psicrométrica (γ). Para psicrômetros comventilação forçada, isto é, com um sistema de aspiração que força o ar a passar pelos termômetros,tem-se A = 0,00067/°C; para psicrômetros não ventilados (em abrigo meteorológico com ventilaçãonatural), A = 0,00080 /°C. É comum adotar-se um valor médio para P ≈ 93 kPa, resultando emvalores de γ = 0,062 kPa/°C para psicrômetros ventilados, e γ = 0,074 kPa/°C para psicrômetros nãoventilados. Na prática agrometeorológica, γ = 0,062 kPa /°C tem sido usado sem se considerar otipo de psicrômetro.

Esse equipamento faz parte das estações meteorológicas convencionais sendo instaladodentro do abrigo termométrico e não necessita de calibração pois a equação psicrométrica é umasolução analítica do balanço de energia aplicado ao conjunto psicrométrico. Dentro do abrigometeorológico convencional (com paredes tipo veneziana), utiliza-se comumente psicrômetro dotipo não-ventilado.

Higrógrafo de Cabelo

É um aparelho mecânico que se baseia no princípio de modificação das dimensões(contração/expansão) de uma mecha de cabelo humano arranjado em forma de harpa, com avariação da umidade do ar. A modificação do comprimento da harpa aciona um sistema dealavancas, que movimenta uma pena sobre um diagrama (papel registrador), o qual está fixadosobre um mecanismo de relojoaria, permitindo o registro contínuo da umidade do ar. Esseinstrumento deve ser instalado da mesma forma do psicrômetro dentro de um abrigo meteorológico.A desvantagem deste instrumento é que ele precisa de calibração frequente, principalmente, pelaperda de elasticidade dos fios de cabelo, e necessita também de limpeza de poeira que se fixa nosfios de cabelo. É utilizado em estações meteorológicas convencionais.

Como esse aparelho só mede a umidade relativa do ar, há necessidade de se medir também atemperatura para se ter um referencial da quantidade de vapor presente no ar. Sem a temperatura, aumidade relativa tem pouco significado prático, pois valores iguais de UR significam valoresdiferentes de Ea, UA, e To, em condições de temperaturas diferentes. Daí, a construção deinstrumentos conjugando sensores para temperatura e umidade do ar, isto é, termo-higrógrafos.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 33

Figura 4: Psicrômetro de ventilação natural (a)e de ventilação forçada (b).

Sensores Capacitivos

Sensores capacitivos são utilizados em estações meteorológicas automáticas. O sensor constitui-sede um filme de polímero, que absorve vapor d’água do ar alterando a capacitância de um circuitoativo. Esse sensor deve ser instalado juntamente com o sensor de temperatura, num abrigo do tipomulti placa. É recomendável fazer calibragens periódicas e limpeza, principalmente em períodosmuito secos.

Variação Temporal da Umidade do ar

Para fins climatológicos, a umidade do ar é medida em condições padronizadas, dentro deabrigo meteorológico instalado sobre superfície gramada, distando 1,5m da superfície. Nessascondições, a tendência de variação diária de umidade relativa do ar está relacionada ao fato de que apressão parcial de vapor (Ea) varia pouco durante o dia, mas a pressão de saturação de vapor (Es)varia exponencialmente com a temperatura do ar (equação de Tetens). Assim, a UR terá tendênciade evolução inversa à da temperatura, desde que o ar não esteja saturado de vapor d’água. Essarelação entre T e UR pode ser vista na Figura 5, em que nas horas mais quentes do dia a UR atingiuseu valor mínimo.

Quando T tende ao valor mínimo, a UR tende à saturação (100%). Em condições naturais decampo, quando a UR ultrapassa 95%, no abrigo meteorológico, pode ocorrer deposição de orvalhona superfície.

Em condições normais de tempo, a pressão atual de vapor (Ea) varia muito pouco durante odia. Em período de estiagem prolongada de chuvas (02/09/1999), observa-se que Ea permaneceupróxima a 1kPa, enquanto que Es atingiu 5 kPa nas horas mais quentes do dia. Naquele dia, a URnão passou de 80%, atingindo um mínimo próximo de 20%, mostrando deficit de saturação o diatodo. Na época mais úmida (14/02/2000), Ea foi comparativamente maior e próximade 2,7 kPa, enquanto que Es atingiu 4,5 kPa, em função da menor temperatura máxima. Nesse dia, aatmosfera esteve saturada até as 8 horas.

Essas informações foram obtidas por estação automatizada, com leituras dos sensores a cadasegundo, executando-se um valor médio a cada 15 min. Assim, foi possível verificar que Ea varialigeiramente ao longo do dia. No início do período de brilho solar, o valor de Ea atingiu valoresmáximos, decrescendo posteriormente. O pequeno aumento no início do dia está associadoprincipalmente à evaporação, aumentando a concentração de vapor d’água no ar próximo àsuperfície. Logo depois, com a intensificação dos movimentos convectivos, parte desse vapor élevado para camadas mais altas da atmosfera, resultando em ligeiro decréscimo da concentraçãopróximo à superfície. Com o resfriamento noturno, o vapor d’água disperso se acama, aumentandonovamente a concentração na altura das medidas.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 34

Figura 5: Variação horária de temperatura (T), umidade relativa (UR), e pressão de vapor (Ea e Es), durante um dia de período seco (02/09/1999) e de período úmido (14/02/2000).

Experimento

Materiais

Bateria de 9V, sensor de temperatura LM35, sensor de umidade DTH11, protoboar, pic16f877a,LCD 16x2, regulador de tensão L7812 , resistores (um de 10k ohm 1%, dois de 220 ohm, 1%), umcapacitor (poliester, 100nF, 63), doios leds vermelhos (3V), uma chave swit e fios.

Na figura a seguir apresentamos o circuito esquemático do projeto. Um resistor de 10k é ligado aopino 1 (MCLR). O lm35 é conectado a entrada RA0 do microcontrolador pic16f877a e o DTH11 aentrada RA1. O LCD é ligado a saída dos pinos RC2 a RC7. Uma chave swit altera entre as leiturasde temperatura e umidade. O led1 ligado a saida RD1 acende quando selecionado a temperatura e oled2 ligado a saida RD0 acende quando selecionado a umidade. Na tela de LCD será feito a leiturade cada valor.

O código será desenvolvido e compilado em linguagem C no MikroC PRO for pic. O arquivo hexaserá gravado com o auxílio de um pickit3 clone de propriedade do professor Édio. O circuito serámontado em uma protoboard e posteriormente será feito melhoramentos para posteriorencapsulamento em uma placa PCI definitiva. A elaboração da placa será feito no programa dedesenho esquemático Eagle. Será impresso numa impressora laser de qualidade em transparênciaobtido de chapa de raio-X limpa com hipoclorito de sódio. Após a impressão será aplicado oenegrecedor de toner na forma de spray ao fotolito. Uma placa de fenolito será coberta com tintafotossensível e reagido com o fotolito ao sol por 15 minutos aproximadamente ou em um banho deluz UV. Seguidamente será feito a revelação com carbonato de sódio (barrilha), limpo com água e

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 35

sabão. Toda tinta que não recebeu luz ultravioleta se desprende da placa o a tinta que recebeu luzUV fica fixa na placa. Deixa-se mais 2 minutos ao banho UV. Em um recipiente com ácidoclorídrico e peróxido de hidrogênio ou percloreto de ferro faz-se a corrosão da placa com agitaçãodurante 15 a 20 minutos. Lava-se a placa com água e sabão e retira-se a tinta restante do cobreutilizando solução de soda caustica a quente durante 1 minuto. Imprimir a legenda do circuitoespelhada em papel transferi, sobrepor com fita isolante sobre a parte inferior da placa e com umferro de passar em máxima temperatura deixar 2 minutos, esperar esfriar e retirar o papel transferi,retirar as rebarbas, lavar novamente com água e detergente e está pronta a placa PCI. Pode-se fazertambém o fotolito da mascara que são as ilhas de soldas e repetir o processo. Os componentes serãosoldados com um estanhador a placa e a mesma será fixada em uma base protegida da radiaçãosolar.

O DHT11 é um sensor de temperatura e umidade que permite fazer leituras de temperaturas entre0°C a 50°C e umidade entre 20 a 90%. Faixa de medição de umidade: 20% a 90% UR, Faixa de

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 36

Figura: foto da Tela de LCD 16x2 (16 colunas e duas linhas)

Figura: foto do sensor DHT11 Figura: sensor LM35

Figura: foto do pic16f877a

medição de temperatura: 0°C a 50°C, Alimentação: 3V – 5.5V, Corrente: 200uA a 500mA, em standby de 100uA a 150 uA, Precisão de umidade de medição: ± 5,0% UR, Precisão de medição detemperatura: ± 2.0 °C, Tempo de resposta: 2s

O sensor de temperatura LM35 é um circuito integrado de precisão para graus centígrados, queparece um transistor comum de encapsulamento TO-92 de 3 pinos. Ele é um termômetro preciso esensível, fácil de encontrar aqui no Brasil. O LM35 é um sensor de precisão em centígrados e temuma voltagem de saída analógica, sua faixa de medição é de -55 º C a +150 º C com uma precisãode ± 0,5 º C. A tensão de saída é de 10mV / º C. A sua saída pode ser conectado diretamente a umaporta de qualquer microcontrolador. O LM35 tem um funcionamento básico, para cada 10mV nasaída representa um grau Celsius, então se é medido em sua saída 222 mV, isso representa que atemperatura é de 22,2°C, partindo deste principio, qualquer multímetro pode ser usado como umtermômetro de precisão. Quando usado 5V, a resolução resultante é 5000mV/1024 = 4.8mV. Comoo LM35 tem uma resolução de saída de 10mV / º C, o termômetro de resolução feita por pic16f877aé 10mV/4.8mV ~ 0,5 º C.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 37

4. CONSTRUÇÃO DE UM BARÔMETROCOM SENSOR BMP180 E ARDUINO

Prof. Édio Mazera – mazera3@gmail.com (Versão: 08/04/17 - 09:25:40)

ResumoPara medir a pressão atmosférica será utilizado o sensor bmp180 ligado a entrada de um Arduínouno. A leitura da pressão barométrica é realizada em um display LCD 16x2 a cada 2 segundos. Estesensor mede também a altitude e a temperatura.

Introdução

A atmosfera se movimenta em resposta à diferença de pressão entre duas regiões. A causaprincipal do aparecimento de pressões diferentes é a incidência e absorção dos raios solares demaneira distinta nas duas regiões. Na macroescala, pela posição relativa entre a Terra e o Sol, osraios solares são mais intensos e mais absorvidos na região equatorial do que nos polos. Essadiferença em disponibilidade de energia gera superfícies mais aquecidas nas regiões intertropicais.O ar é um fluido cujas características resultam em expansão volumétrica à medida que atemperatura aumenta. Isto significa que um volume de ar mais quente é menos denso que o mesmovolume de ar mais frio. Ar menos denso tende a subir, exercendo menor força sobre a superfície. Aforça vertical exercida pela atmosfera sobre a superfície terrestre é denominada de pressãoatmosférica.

A atmosfera é mais expandida no equador e mais contraída nos polos. A parte ensolarada daTerra (dia) também tem atmosfera mais espessa que a parte escurecida (noite). A espessura daatmosfera varia continuamente ao redor da Terra. Portanto, a região equatorial sempre apresentamenor pressão atmosférica que os polos. É por esse motivo que, na superfície, as massas frias (altapressão) sempre avançam para as regiões mais aquecidas (baixa pressão). Em altitude, a circulaçãoé no sentido contrário, formando uma célula. Essa movimentação redistribui a energia que “sobra”no equador para as regiões polares.

Uma parcela (volume de controle) de ar está sujeita a três forças: 1) da gravidade; 2) daflutuação térmica; e, 3) do gradiente horizontal de pressão. A força de atração gravitacional ésempre direcionada no sentido do centro da Terra, prendendo a atmosfera ao redor de sua superfície,sendo a principal responsável pela pressão. A força devido à flutuação térmica contribuisignificativamente para a variação da pressão local, e sua contribuição pode ser tanto no sentido deaumentar como de diminuir o valor da pressão. A contribuição é positiva quando a superfície estáfria, pois o ar em contato com ela também está frio, e a força de flutuação térmica será direcionadapara o centro da Terra, aumentando a pressão. Se a superfície estiver quente, o ar estará quente, eentão essa força será direcionada para cima, diminuindo a pressão na superfície. A força devido aogradiente horizontal de pressão é a responsável pela movimentação da atmosfera de uma região paraoutra.

Como essas três forças atuam sobre a parcela de ar em qualquer situação (repouso oumovimento), elas são denominadas de forças primárias. No entanto, no momento que a massa de arcomeça a se movimentar aparecem duas outras forças denominadas de secundárias. Uma, é a forçadevido ao atrito com a superfície. Essa força é sempre contrária ao sentido de movimentação, sendoresultante da rugosidade da superfície; portanto, seu efeito é de desaceleração do movimento. Outra,é uma força aparente devido ao movimento de rotação da Terra, denominada de força de Coriolis.Essa força apenas muda a trajetória da massa de ar sem modificar sua velocidade. A força de

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 38

Coriolis é sempre perpendicular à direção do movimento, e no hemisfério Sul desloca a trajetóriapara a esquerda de seu sentido original. No hemisfério norte o deslocamento é para a direita. Issoexplica porque os redemoinhos giram em sentidos diferentes nos dois hemisférios. É a força deCoriolis que determina o movimento rotatório dos sistemas atmosféricos (ciclones, anticiclones,tornados, furacões). Para entender o efeito da força de Coriolis, imagine um avião voando, em linhareta, do polo sul para um ponto situado no equador. Como a Terra gira de oeste para leste, atrajetória do avião será uma curva para a esquerda, pois o ponto de destino se desloca para a direita,com mostrado na ilustração abaixo. Essa trajetória pode ser vista quando se traça uma reta em umdisco em movimento.

Na macro-escala, os ventos de superfície estão associados à circulação geral da atmosfera,sendo função dos gradientes horizontais de pressão. Embora os campos de pressão e de ventosvariem continuamente ao longo do tempo sobre a superfície, é possível verificar uma certatendência, com ocorrência de faixas de altas e de baixas pressões.

Na região do Equador existe uma faixa de baixas pressões, cujo centro fica, em média no ano, umpouco acima do círculo equatorial. Em torno da latitude de 30o, nos dois hemisférios, existe umafaixa de altas pressões (latitude de Cavalos). Entre as latitudes de 60o e 70o, nos dois hemisférios,existe uma faixa de baixas pressões, e os Polos constituem-se em centros de alta pressão. Entre asfaixas de pressões descritas acima, formam-se células de circulação em macro-escala. Os ventosformam-se devido às diferenças de pressão entre dois pontos, indo no sentido de maior para o demenor pressão. Nas regiões de transição, o ar ou se eleva (baixa pressão) ou desce verticalmente(alta pressão), formando as células com ramo superior em sentido contrário ao da superfície. Estesfenômenos são os responsáveis pelos Ciclones e Anticiclones, Circulação na América do Sul, ElNiño e La Niña, . Circulações e Ventos Locais, Brisas Terra-Mar, Brisas de Montanha e de Vale,Vento Foehn ou Chinook, Massas de Ar / Frentes, etc.

Sobre O Barômetro

O barômetro é um instrumento científico utilizado emmeteorologia para medir a pressão atmosférica. Existemdois tipos de uso corrente: os barômetros de mercúrio e osbarômetros aneroides (metálicos).

Inventado por Evangelista Torricelli em 1643, obarômetro de mercúrio é composto por um tubo de vidrocom uma das extremidades fechadas, uma base e mercúrio.Primeiramente, ele encheu o tubo de vidro com mercúrio eo tampou com o dedo. Em seguida, inverteu-o emergulhou-o na base que também continha mercúrio.

A coluna de mercúrio descia até estabilizar em 760milímetros (ao nível do mar). Tal fato deve-se à equiparação entre o peso da

coluna de mercúrio dentro do tubo e o peso da coluna de ar aplicados na base que contém mercúrio.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 39

barômetro demercúrio

Esse peso exercido sobre a base de mercúrio pelo ar é a pressão atmosférica, a qual influenciadiretamente na altura da coluna de mercúrio. Quanto maior a pressão atmosférica, mais compridafica a coluna de mercúrio. Em 1648, Blaise Pascal comprovou essa dependência ao fazer oexperimento a 1 478 metros de altitude, de modo que a coluna do mercúrio caía a 8,6 centímetros.

Já o barômetro aneroide é menos preciso, porém mais compacto.Consiste em uma câmara parcialmente evacuada que comprime e expandecom o aumento e diminuição da pressão, respectivamente. Essas alteraçõessão transmitidas a um ponteiro já calibrado à determinadas condições eunidades de medida. Tal barômetro é comumente utilizado em barógrafos, osquais gravam continuamente as variações de pressão.

A pressão atmosférica pode ser calculada multiplicando a altura dacoluna de mercúrio pela densidade do mercúrio e pela aceleração dagravidade. Contudo, a altura da coluna de mercúrio também é consideradauma unidade de medida para a pressão atmosférica.

Ao nível do mar, a pressão atmosférica é de cerca de 15 libras por polegada quadrada, 29,9polegadas de mercúrio ou 760 milímetros de mercúrio (760 mmHg). Isto é equivalente a 1013,25milibares ou 101325 Pa.

Pressão do ar em função da altitude (1 mmHg = 133 Pa)

Altitude (m) Pressão (mmHg)

0 760

75 753

150 746

250 739

300 733

450 719

600 706

750 693

900 681

1000 668

1200 656

1350 644

1500 632

1800 609

2100 586

2400 564

Através do avanço tecnológico, atualmente, podem-se encontrar barômetros acoplados arelógios digitais esportivos a um custo razoável.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 40

barômetro aneroide

Sobre O Sensor Bmp180

O sensor de temperatura e pressão BMP180 foi desenvolvidopara ser um sensor compacto e econômico em termos de energia (porvolta de 3 µA).

Apesar de também medir a temperatura, ele foi desenvolvidocom o objetivo de medir a pressão atmosférica, e com base nesses dadospodemos determinar a altitude e realizar previsões do tempo com grandeprecisão. graças ao baixíssimo consumo de energia, o CI BMP180(datasheet: https://www.adafruit.com/datasheets/BST-BMP180-DS000-09.pdf) é indicado para utilização em equipamentos compactos comoGPS, smartphones, tablets e equipamentos esportivos.

No Arduíno, também temos esse conceito de compactação, com o CI instalado em umaplaca de 12 x 10 mm. Ele funciona com alimentação de 1,8 à 3.6V, e possui um regulador de tensãoembutido que permite que você o conecte normalmente às placas Arduíno com nível de sinal de 5V,como o Arduíno Uno.

A conexão ao Arduíno utiliza a interface I2C, por meio dos pinos analógicos 4 (SDA) e 5(SCL). No módulo temos somente 4 pinos : Vin (1,8 à 3.6V), GND, SCL e SDA :

Ligação Do Bmp180 Ao Arduíno

A ligação do sensor BMP180 ao Arduíno é muito simples, e iremos utilizá-lo em conjuntocom um Display LCD 16×2 para mostrar as informações de temperatura, pressão e altitude. Opotenciômetro utilizado no circuito é de 10 K, e serve para ajuste de contraste do lcd.

Atenção para a alimentação do módulo, que como comentamos anteriormente, vai de 1,8 à3.6V, e no nosso exemplo vamos conectar o Vin do módulo ao pino 3.3V do Arduíno.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 41

Biblioteca E Programas

Por ser totalmente compatível com o BMP085, podemos inclusive utilizar a mesmabiblioteca, encontrada neste link(https://github.com/adafruit/Adafruit-BMP085-Library ). E só fazero download, descompactar o arquivo e colocar a pasta com a biblioteca dentro da pastaLIBRARIES da IDE do Arduíno. No Linux (Ubuntu) a IDE Arduíno pode ser instalada peloterminal da seguinte forma: abrir o terminal e executar o comando: # sudo apt-get install arduino.

O programa IDE Arduíno apresenta na tela as informações de temperatura, na primeiralinha, e vai alternando as informações de pressão (em Pa) e altitude (em metros) na segunda linha,atualizando as informações a cada 3 segundos.

A biblioteca encontra-se em anexo do apêndice deste projeto. Exemplos de códigos também estão no apêndice.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 42

Experimento

Materiais

Arduíno Uno, sensor bmp180, protoboard, bateria de 9V, lcd 16x2. Resistores, leds, capacitores, etc.

Procedimentos

Esquemático - Conexões entre Arduíno Uno e Módulo BMP180 GY-68

As conexões com I2C são:Pino do BMP180 Conexão ao pino do Arduíno

VCC 3.3v ( NAO UTILIZAR 5.0V)

GND GND

SCL (clock) pino analógico A5

SDA (dados) pino analógico A4

Realizando leituras da Pressão e Temperatura: Esta tarefa é muito simples, basta começar aleitura, esperar o tempo da leitura e obter esse valor, isso é feito tanto para temperatura compressão. O código na IDE Arduino encontra-se no Apêndice A.

Obtendo a Altitude da nossa posição: Neste caso calcularemos a altitude de nossa posição, paraisso necessitamos medir a pressão e a temperatura com BMP180 de nossa posição, bem como osdados de pressão atmosférica ao nível do mar. O código na IDE Arduino encontra-se no ApêndiceB.

Calculando a altura entre dois pontos: Para este caso, vamos ter um ponto de partida para a nossaaltura h = 0, se nos movermos verticalmente iremos medir a altura, neste caso, a precisão é deaproximadamente 0,5 m. Para isso, é preciso medir tanto a pressão com a temperatura no ponto deposição inicial, como em outras posições. O código na IDE Arduino encontra-se no Apêndice C.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 43

Explicando As Funções Do Código

begin()

Inicializa o sensor BMP180, retorna 1 se a inicialização for bem sucedida ou 0 se não for.

startTemperature()

Função para iniciar uma medição de temperatura e retorna o tempo em milissegundos que temos deesperar antes de começar a leitura. Se retornar 0, é porque a temperatura de início de mediçãofalhou.

getTemperature(T)

Obtém a temperatura da variável T, antes de utilizar esta função, é necessário chamar a funçãostartTemperature () e que tenha decorrido um tempo adequado de leitura; retorna 1 se a leitura ébem sucedida ou 0 não.

startPressure(Sobremuetreo);

Função para iniciar uma medição de pressão, você deve especificar o número de amostrasadicionais (de 0 a 3) que a leitura do sensor deve tomar para pressão e que retorna o tempo emmilissegundos que temos de esperar antes de começar a leitura. Se retornar 0, é porque o início damedição da pressão falhou.

getPressure(P, T);

Obtém o valor de medição previamente iniciado com startPressure (); é necessário dar a temperaturaT como parâmetro, que irá servir para compensar a influência da temperatura e o cálculo da pressão,o valor de pressão absoluta é armazenado na variável P. Retorna 1 se a leitura tiver sido completadocom sucesso ou 0 se não.

altitude(P, Po);

Calcula a altitude entre o ponto onde a leitura tomou a pressão P (em mbar) com respeito a umponto de referência da pressão Po (em mbar). Nos retorna o valor da altitude em metros.

sealevel(P, A);

Esta função executa o cálculo do inverso da altitude (P, Po), Dado a pressão P (em mbar) e a altitude(em metros) calcula a pressão ao nível do mar ou o ponto em que a altura é medida. Retorna o valorda pressão em mbar.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 44

5. CONSTRUÇÃO DE UM PIRANÔMETROCOM CÉLULA FOTOVOLTAICA

Prof. Édio Mazera – mazera3@gmail.com (Versão: 08/04/17 - 09:25:41)

Introdução

Vamos construir um equipamento simples, com base em materiais econômicos e de fácil aquisição.Não terá uma qualidade laboratorial de um piranômetro, mas tem a qualidade suficiente para obteras medições que ao longo do tempo se têm mostrado muito comparáveis às obtidas por estações demarcas conceituadas, que se podem utilizar para fins didáticos.

Um gráfico gerado pelo Cumulus (Cumulus : http://sandaysoft.com/products/cumulus)

1º Passo – Estudo da Teoria

Para a construção com êxito deste equipamento, é muito importante a compreensão dos princípiosem que se baseia. Dito isto, o primeiro passo é estudar exaustivamente a matéria contida num artigoda autoria de Charles G. Wright, cujo link indico aqui no site: Measuring Solar Radiation. Umatradução feita por mim encontra-se no formato pdf aqui no site.

2º Passo – Escolha da Célula Fotovoltaica

Para o nosso projeto não nos servirá qualquer célula fotovoltaica, mas sim uma, cujacorrente de curto circuito (que, por coerência com o artigo original, passarei a designar por Isc) nãoseja muito elevada, isto para que o valor da resistência Rsh decorrente da aplicação da lei de Ohm,não resulte num valor tão baixo, que na prática se torne muito difícil de obter.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 45

Algo que devemos também ter em conta é que praticamente toda a potência da célulafotovoltaica (designada a partir de agora por CF) será dissipada na Rsh. Por essa razão recomendo aescolha de uma CF, com uma potência não superior a 150mW.

No caso concreto do sensor construído no artigo, a CF escolhida foi um modelo de 1V –100mW, o que teoricamente resultaria numa Isc máxima de 100mA (I=P/U).

3º Passo – Determinação da Isc Máxima da nossa CF

Para o cálculo da Rsh que utilizaremos, é muito importante determinar com a maior exatidãopossível qual a Isc máxima que a nossa CF fornecerá nas condições em que a vamos utilizar. Estamedição é possivelmente o aspecto mais crítico da construção deste equipamento, idealmentedeveria de ser feita no período do ano e do dia em tivéssemos o valor máximo teórico de RadiaçãoSolar para a nossa posição geográfica, mas tal como quase tudo na vida, nem sempre o ideal éatingível, pelo que nos bastará um bom dia de sol de verão e céu limpo. Mais tarde ao longo daconstrução teremos alguma margem para calibrar o nosso equipamento.

Assim, e num dia de sol de verão e céu limpo, coloquemos a nossa CF em posiçãohorizontal (nunca virada diretamente para o sol) e com recurso a um multímetro digital de boaqualidade (menor resistência interna possível) vamos medir a Isc fornecida pela nossa CF.

No caso da CF que utilizei, realizando medições à mesma hora e em vários dias, o valormáximo da Isc obtido foi de 75mA.

No artigo referido possivelmente para facilitar a explicação dos cálculos, o autor assumiucomo valor máximo para a Radiação Solar o valor de 1000W/m² (1kJ/m².s). No entanto, paralatitudes como a do Brasil, nas quais o valor máximo teórico da Radiação Solar se situa entre os1300 e os 1400 W/m², é necessário que a capacidade de leitura do equipamento não esteja limitada aum valor tão baixo, mas antes possa ir até valores na ordem dos 1500 a 1600 W/m². Apenas a títulode exemplo, nas estações meteorológicas Davis a leitura máxima possível é de 1800W/m².

Num dia de sol de verão, céu limpo, ao meio dia, observando cuidadosamente no WeatherWunderground os valores de Radiação Solar disponibilizados por algumas estações meteorológicassituadas nas imediações, todas rondando os 1300W/m², e tendo eu a minha medição Isc de 75mA,assumi que a esse valor de Isc muito provável mente corresponderia um valor de Radiação Solarnão muito longe dos 1300W/m². Mais tarde teria oportunidade de verificar se estaria certo ou errado(não esquecer o estudo da matéria, estamos lendo corrente e não voltagem, e as CF, na zonapróxima da corrente de curto-circuito tem um comportamento linear, razão pela qual a Rsh tem deter um valor pequeno).

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 46

4º Passo – Determinação do valor de Rsh

Semelhante do exemplo apresentado no estudo referido no artigo, irei também optar porcalcular o valor da Rsh, por forma a obter uma queda de tensão em Rsh, com a relação de 1mV paracada 10W/m². Assim, para uma Radiação Solar de 1300W/m² pretendemos obter uma queda detensão na Rsh de 130mV. Recorrendo à lei de Ohm em que R=V/i, teremos Rsh = 0,130V / 0,075Aou seja Rsh = 1,7333333 Ohm.

É importante que a resistência a utilizar em Rsh tenha a máxima precisão possível, e que depreferência não seja preciso correr o mundo para encontrá-la. Arredondaremos o valor calculadopara 1,74 Ohm, pois ele existe nas séries E96 com valores de precisão de pelo menos 1%.

A resistência Rsh, deverá ser soldada o mais possível junto aos terminais positivo e negativoda CF, tendo o cuidado de nos certificarmos de que a soldadura está perfeita. Uma soldaduradeficiente poderia causar uma resistência de contacto superior ao valor da própria Rsh. Em cada umdos terminais da CF, deveremos também soldar um pequeno pedaço de fio, que posteriormenteutilizaremos para ler as variações da queda de tenção em Rsh, que como agora sabemos serãolinearmente proporcionais à intensidade da Radiação Solar.

Sabemos que uma célula fotovoltaica, não reage igualmente a todas as frequências quefazem parte do espectro electromagnético, e que é praticamente cega aquelas de maiorescomprimentos de onda, sabemos também que a medição da Isc que realizamos está afetada de umerro causado pela resistência interna do aparelho de medida (erro esse que poderia ser determinadoconhecendo as especificações do aparelho usado na medição, mas que por razões de simplificaçãoignoraremos), mas sabemos também que não estamos tratando da construção de um equipamentopara uso laboratorial, mas sim de um equipamento simples que por uma fração do preço de umverdadeiro piranômetro, permite leituras com uma margem de erro que considero aceitável tendoem conta o fim a que se destinam.

5º Passo – Leitura e conversão Analógico Digital, Fatos eConsiderações

Neste momento já temos um dispositivo no qual obtemos uma variação de tensão de 1mVpor 10W/m² de Radiação Solar. Precisamos agora efetuar a leitura dessa variação de tensão eapresentação do resultado na unidade pretendida, ou seja, em W/m².

Não obstante existirem outras formas de ler e apresentar os dados, no caso do dispositivopara nosso projeto, pretendia-se utilizar um Arduíno uno recorrendo a um dos seus conversoresanalógico digital (ADC) para fazer a leitura. O ADC destes Arduinos (tal como a maioria dosArduinos comuns) têm uma resolução de 10 bits ou seja 1024 passos. Por defeito a tensão dereferência para o ADC é de 5 Volt, significa isto que ao aplicarmos um determinado valor de tensãoà entrada do ADC, ela é comparada com os 5V de referência e o resultado dado numa escala de1024 passos (0 a 1023). Também poderíamos usa um microcontrolador pic16f877a para esse fim.

Vamos considerar que o dispositivo já construído poderá produzir na Rsh uma queda detensão máxima de 160mV, correspondente a 1600 W/m². É certo que anteriormente e pelas razõesexplicadas, tínhamos considerado a nossa medição como correspondendo a um valor de 1300W/m²,mas também é certo que o valor do máximo teórico da Radiação Solar, na verdade é uma média, enas nossas latitudes é frequente num piranômetro se obterem valores de pico na ordem dos1600W/m², pelo que vamos considerar esta possibilidade, e definir como limite máximo de leiturado nosso dispositivo 1600W/m².

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 47

Analisemos agora qual a resolução máxima da leitura que poderíamos esperar: 5V / 1023 =4,88mV, como cada mv corresponde a 10W/m², teríamos como resolução máxima 48,8W/m². Estaresolução não nos serve!

Felizmente os Arduinos permitem alterar a tensão de referência para o ADC, e no caso doArduíno Uno temos até a possibilidade de utilizar uma tensão de referência muito estável, geradainternamente de 1.1V.

Vejamos então como ficaria a nossa resolução máxima, caso em vez dos 5V usássemos os1,1V: 1.1V / 1023 = 1,07, ou seja 10,7W/m². Melhoramos a resolução quase 4 vezes, no entanto,esta resolução ainda não nos serve!

Possivelmente, a muito que já terá concluído que, tendo em conta a reduzida amplitude dossinais com os quais estamos lidando, estes dificilmente poderiam ser lidos diretamente pelo ADC deum Arduíno com um nível de resolução aceitável. Então como resolver isto?

A solução passa por uma amplificação linear da amplitude do sinal original, de forma a queao seu valor máximo de 160mV corresponda 1,1V, valor da referência do nosso ADC. Procedendodesta forma, vamos obter um aumento da resolução muito significativo (a continha fica comoexercício), resultando em 1,56W/m², um valor já bastante aceitável para este projeto.

Uma das formas mais simples e fiáveis para proceder à amplificação do nosso sinal original,é utilizar um Amplificador Operacional, no entanto, a sua escolha requer algumas consideraçõesimportantes como veremos de seguida.

6º Passo – Amplificação do Sinal

Existem várias formas de conceber um amplificador baseado em amplificadoresoperacionais. No nosso caso optamos por uma das formas mais simples, normalmente designadapor amplificador não inversor e que genericamente se pode representar na forma ilustrada na figuraabaixo.

Neste tipo de configuração o cálculo do ganho do amplificador é obtido a partir da seguinteformula:

Sendo que o Vout pretendido é de 1.1V e o que o nosso Vin é de 0,160V o nosso OP terá deter um ganho igual a 6,875 (Vout/Vin), algo que obteremos com R1= 8K Ohm e r²= 47K Ohm.

O ganho que pretendemos é bastante modesto para qualquer OP, mas provável mente nãonos servirá um qualquer OP. A maioria dos OP requerem uma alimentação simétrica, ou seja,negativo GND e positivo. Como não pretendo construir uma alimentação apenas para o OP, massim alimentá-lo a partir dos 5V que tenho disponíveis no Arduíno, vou ter de escolher um OP quetenha esta possibilidade, existem muitos e são designados por OP's Single-Supply.

Para utilizações futuras importa que seja um OP capaz de fornecer uma tensão de saídamuito próximas da tensão de alimentação. Estes OP's também existem é claro, e são normalmente

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 48

designados por OP's Rail-to-Rail. Para esta situação concreta, a minha escolha foi para o AD822AN– Single-Supply, Rail-to-Rail Low Power FET-Input Op Amp.

AD822AN APPLICATIONS: Battery-powered precision instrumentation; Photodiode preamps;Active filters 12-bit to 14-bit data acquisition systems Medical instrumentation; Low powerreferences and regulators. http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD822.pdf

Já temos tudo o que precisamos, o resto agora é construção.No final deste projeto será apresentado um pequeno exemplo de código para o Arduíno que nospermite visualizar as nossas leituras de Radiação Solar.

7º Passo – Construção do medidor de Radiação Solar

Quanto à construção física do sensor existem muitas possibilidades de o fazer, dependendodo resultado da disponibilidade de materiais, imaginação e jeito de cada um. Dito isto, o que aseguir descreverei é apenas a forma que eu escolhi, certamente existirão outras.

O sensor estará ao sol, à chuva, ao frio e ao calor, pelo que a primeira consideração éarranjar algo capaz de resistir a estas condições climatéricas e abrigar com segurança oscomponentes eletrônicos.

Uma das ideias que me ocorreu foi utilizar uma daquelas luminárias que normalmente seutilizam embutidas no solo para iluminação vertical. São estruturalmente bastante resistentes eestanques, pois são concebidas para uso exterior. Na figura abaixo pode se ver a unidade jáconstruída e instalada.

Numa primeira fase de testes, a eletrônica foi instalada numa pequena “protoboard” e colocada nointerior da iluminaria depois de removido o conteúdo original. A célula fotovoltaica foi instaladapor baixo da parte vidrada.

Após várias semanas de testes e medições, a “protoboard” foi substituída por uma placa de circuitoimpresso.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 49

A placa que se vê na imagem foi concebida pensando na possibilidade de utilizar o mesmo“involucro” para instalar também um sensor de UV, o que mais tarde, acabou mesmo por ser feito.

Na imagem abaixo pode se ver a colocação da célula fotovoltaica, já com o sensor de UV aolado. Uma pequena nota: A instalação do sensor UV levou à substituição da cobertura superior queoriginalmente era de vidro, por uma em acrílico. O vidro comum absorve entre vinte a trinta porcento da radiação ultravioleta, alterando significativamente as medições, já o plástico acrílico épraticamente transparente à radiação ultravioleta.

Tal como referi no inicio, a construção ilustrada acima é apenas uma possibilidade, muitas outrasexistem. Ficam a seguir mais umas ideias com materiais mais simples!

Fica assim concluído este projeto, espero que seja útil para alguém.

Referências

1. Vídeos - CPTEC/INPE - http://videoseducacionais.cptec.inpe.br/ 2. Agrometeorologia Videoaulas - https://www.youtube.com/watch?v=uWKQzdCZoe8 3. Dep de Engenharia de Biossistemas - http://www.esalq.usp.br/departamentos/leb/atlasolar.html 4. CRESESB- Centro de Referência para Energia Solar e Eólica - http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata& 5. Measuring Solar Radiation - http://chuck-wright.com/projects/pv-measure.html 6. Sandaysoft > Cumulus - http://sandaysoft.com/products/cumulus 7. Slide - Radiação Solar - Balanço de energia Recurso - http://slideplayer.com.br/slide/284304/8 . Atlas Energia Solar - http://www2.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/03-energia_solar%283%29.pdf 9. Potencial Solar – SunData - http://www.cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata&

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 50

APENDICE

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 51

EQUIPAMENTOS E COMPONENTES – COTAÇÃO EM MARÇO DE 2017DISCRIMINAÇÃO QT ORIGEM UNITÁRIO (R$) TOTAL (R$) EQUIPAMENTOS

Computador 1 Escola R$ 0,00Softwares 6 Internet R$ 0,00Impressora Laser 1 Escola R$ 0,00Estanhador 1 Comércio R$ 95,00 R$ 95,00Multímetro Digital 1 Comércio R$ 53,00 R$ 53,00Tubo de Solda Estanho 25g 1 Comércio R$ 7,00 R$ 7,00Pasta Para Solda 110g 1 Comércio R$ 5,50 R$ 5,50Sugador de Solda 1 Comércio R$ 20,00 R$ 20,00Alicate Universal 1 Comércio R$ 16,00 R$ 16,00Pinça Curva 1 Comércio R$ 12,00 R$ 12,00Fonte ajustável para protoboard 1 Comércio R$ 13,00 R$ 13,00Gravador de PIC USB PicKit3 1 Comércio R$ 150,00 R$ 150,00Gravador de PIC USB K150 1 Comércio R$ 64,00 R$ 64,00Arduíno Uno Compatível 1 Comércio R$ 59,00 R$ 59,00Transparência 2 R$ 0,00Protoboard 830 pontos 5 Comércio R$ 30,00 R$ 150,00PIC16F877a 40 pinos 4 Comércio R$ 36,00 R$ 144,00Soquete estampado para CI 40 pinos 4 Comércio R$ 1,00 R$ 4,00Sensor BMP180 1 Comércio R$ 15,00 R$ 15,00CI555 1 Comércio R$ 1,00 R$ 1,00Sensor De Efeito Hall - A3144 8 Comércio R$ 4,00 R$ 32,00Ci Ad822anz 1 Comércio R$ 17,00 R$ 17,00Cristal Oscilador 4MHz - Caneca Alta 4 Comércio R$ 1,20 R$ 4,80Resistor 10K 5% (1/4W) 20 Comércio R$ 0,50 R$ 10,00Trimpot Linear Horizontal de 200R (200Ω) 1 Comércio R$ 2,00 R$ 2,00LED Difuso 5mm 4 Comércio R$ 0,70 R$ 2,80Display Lcd 16x2 C/ Back Verde ou azul 4 Comércio R$ 20,00 R$ 80,00Placa de Fenolite Virgem 10x20 cm 3 Comércio R$ 7,50 R$ 22,50Tinta Fotossensível (filme) Para Pci (100 g) 1 Comércio R$ 55,00 R$ 55,00Enegrecedor de Tôner 1 Comércio R$ 25,00 R$ 25,00Capacitores eletrolítico, cerâmico e poliester 10 Comércio R$ 1,00 R$ 10,00Regulador de Tensão L7812 4 Comércio R$ 2,00 R$ 8,00Sensor de Temperatura LM35 1 Comércio R$ 7,00 R$ 7,00Sensor de Umidade e Temperatura DHT11 1 Comércio R$ 11,00 R$ 11,00Sensor Magnético Reed Switch 1 Comércio R$ 1,50 R$ 1,50Célula fotovoltaica 1 Comércio R$ 7,00 R$ 7,00Conectores, jack, etc. 4 Comércio R$ 2,50 R$ 10,00Chave Táctil 6x6x4,3mm 2 Terminais 4 Comércio R$ 0,40 R$ 1,60Clip de Bateria 9V [Horizontal] + Plug P4 5 Comércio R$ 7,00 R$ 35,00Bateria 9V - GP Greencell 5 Comércio R$ 1,60 R$ 8,00Percloreto de Ferro (1kg) 1 Comércio R$ 35,00 R$ 35,00Chave Botão 8x8mm com trava 1 Comércio R$ 1,00 R$ 1,00Ácido Clorídrico 37% Pa Frasco (1L) 1 Comércio R$ 36,00 R$ 36,00Peróxido de hidrogênio V200 0 R$ 0,00Perfurador de Placa de Circuito Impresso 1 Comércio R$ 39,00 R$ 39,00kit Lâmpada UV Hqa 400w. (sol) 0 R$ 0,00

TOTAL R$ 611,70 R$ 658,00

Apendice A – Perguntas E Respostas1. Como é medida e quantificada a energia solar?

A energia solar é medida por instrumentos denominados piranômetros, solarímetros ou radiômetros,normalmente operados por instituições de pesquisa científica. A potência solar instantânea queincide em determinado ponto é normalmente medida em W/m² (potência/área) e o total de energiaem um dia que atinge este ponto é normalmente medido em kWh/m².dia (energia/área/dia). Muitasoutras unidades são também utilizadas correntemente (J/m², cal/cm².min, BTU/ft2.dia, etc), deforma que muitas vezes faz-se necessária uma tabela de conversão

2. Como é a incidência de energia solar no Brasil?

Conforme é esperado, o Brasil, com seu território situado em sua maioria em latitudes entre oEquador e o Trópico de Capricórnio, apresenta uma incidência de energia solar bastante favorável.A potência instantânea incidente na superfície terrestre pode atingir valores superiores a 1000W/m².A média anual de energia incidente na maior parte do Brasil varia entre 4kWh/m².dia e5kWh/m².dia. Está disponível nesta página do CRESESB um programa para o cálculo dadisponibilidade de radiação solar no Brasil, denominado Sundata.

No Brasil, existem alguns trabalhos consolidados sobre o levantamento do potencial solar em todo oterritório, são eles:

1. Atlas de Irradiação Solar do Brasil, baseado em dados de satélite, desenvolvido pelo INMETe LabSolar da Universidade Federal de Santa Catarina - UFSC(http://www.lepten.ufsc.br/home/solar.html);

2. Atlas Solarimétrico do Brasil com base em medições terrestres, desenvolvido pelaUniversidade Federal de Pernambuco em parceria com o CEPEL (disponível para aquisiçãono CRESESB); e

3. Atlas Brasileiro de Energia Solar com base em dados de satélite, desenvolvido através deuma parceria entre a DMA / CPTEC / INPE e o LEPTEN / UFSC (antigo LabSolar).

3. O que são módulos fotovoltaicos?

São dispositivos que convertem a energia luminosa diretamente em energia elétrica em correntecontínua (CC), os quais, quando expostos à radiação solar funcionam como geradores de energiaelétrica. São normalmente produzidos a partir de Silício (material semicondutor), o mesmo materialutilizado nos "chips" de computador, com base em tecnologia semelhante à utilizada na indústriaeletrônica. As três principais tecnologias de fabricação disponíveis são denominadas: mono-Si(Silício mono-cristalino), poly-Si (silício poly-cristalino) e a-Si (Silício amorfo).

4. Como funcionam os módulos fotovoltaicos?

Seu princípio físico de funcionamento é denominado efeito fotovoltaico (foto= luz; volt=eletricidade). Os módulos fotovoltaicos são construídos com células fotovoltaicas, as quais sãoessencialmente junções pn, equivalentes a diodos semicondutores de Silício, de grande área. Aincidência de fótons (energia luminosa) nesta junção causa o aparecimento de cargas elétricas, sobforma de pares elétron-lacuna, e, conseqüentemente, de uma corrente elétrica.

5. Qual é a capacidade real de geração de energia dos módulos fotovoltaicos?

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 52

Os módulos fotovoltaicos são medidos em determinadas condições padrão internacional, utilizadaspor todos os fabricantes. A potência produzida nestas condições é expressa em uma unidadedenominada Wp (Watts pico). Deve-se contudo ter sempre em mente que a produção de energia dosmódulos fotovoltaicos não é constante neste valor, mas varia de forma diretamente proporcional àluminosidade incidente.

6. Onde posso obter dados de radiação solar no Brasil?

(1) O “Atlas Solarimétrico do Brasil", desenvolvido através do convênio FADE-UFPE / CEPEL, épublicado e distribuído pelo CRESESB. Ele apresenta uma base de dados solarimétricos que cobretodo o Brasil. Junto com a publicação segue um CD com a base de dados. O procedimento paraadquirí-lo encontra-se descrito na seção ">> Publicações >> Como Obter".

(2) O "Atlas Brasileiro de Energia Solar" publicado recentemente pelo INPE, desenvolvido dentrodo escopo do projeto SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) em parceria entre aDMA / CPTEC / INPE e o LEPTEN / UFSC. Exemplares desse atlas podem ser obtidosgratuitamente por meio de uma solicitação formal encaminhada ao próprio CPTEC / INPE, atravésdo e-mail sonda@cptec.inpe.br. O acesso à base de dados e produtos gerados pelo projeto SWERAestão disponíveis para acesso público em http://swera.unep.net/.

(3) O programa Sundata disponível no site do CRESESB na seção ">>Potencial Energético>>Potencial Solar". Esse programa busca no banco de dados CENSOLAR (1993) valores deradiação média diária mensal no plano horizontal para cerca de 350 pontos no Brasil e em paíseslimítrofes. Para saber a radiação solar global diária média mensal de uma localidade basta entrarcom as coordenadas geográficas em graus decimais.

Apendice B – Conceitos - Radiação Solar

Introdução

A radiação solar é a maior fonte de energia para a Terra, sendo também o principal elementometeorológico pois é ela que desencadeia todo o processo meteorológico afetando todos os outroselementos (temperatura, pressão, vento, chuva, umidade, etc). Trata-se, portanto, de um elementoprimordial no entendimento da variação dos demais. A energia solar é a fonte primária de energiapara todos processos terrestres, desde a fotossíntese, responsável pela produção vegetal emanutenção da vida na presente forma, até o desenvolvimento de furacões, tempestades, enfim, pelacirculação geral da atmosfera e oceanos. Além da sua importância em Meteorologia, a energiaradiante do Sol é um elemento fundamental em estudos ecológicos e de disponibilidade energética,pois a maior parte da energia disponível na Terra tem origem na radiação solar. Assumindo-seque, até atingir a superfície da Terra, a luz solar percorre uma distância aproximada de 150 milhõesde quilômetros (1,5 108 km = 1,5 1011 m) a uma velocidade de 300 103 km/s (3 108 m/s), ela gastacerca de 500s (8,3 min) nessa trajetória. Isto significa que todos os fenômenos solares, observadosda supefície terrestre, já aconteceram há 8,3 min, no mínimo. Define-se unidade astronômica (UA)como sendo a distância média Terra - Sol (1,496 1011 m ), descrita no Capítulo 2.

Embora o Sol tenha um raio aproximado de 6,96 108 m, para efeitos de estudo da radiaçãosolar na superfície da Terra admite-se que ele funciona como uma fonte pontual de energia. Eleemite radiações igualmente em todas as 4π direções. Portanto, se a intensidade luminosa num dadoinstante for igual a I, então o total de energia emitida naquele instante será igual a 4π I. Nessemesmo instante, a Terra se situa numa esfera cujo raio é igual à sua distância do Sol (D). Pelasrestrições admitidas, o total de energia emitida (4π I) será igualmente distribuido na área 4π D2,resultando numa densidade de fluxo igual a I / D2, definida pela lei do inverso do quadrado da

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 53

distância, ou seja, a energia recebida numa superfície é inversamente proporcional ao quadrado dadistância entre a fonte e superfície receptora. Devido à distância Terra – Sol e à relação entre osvolumes dos dois astros, apenas uma pequeníssima fração da energia emitida atinge a superfície daTerra na forma de um feixe de raios paralelos entre si.

Definições

A quantidade de radiação solar recebida por uma superfície de área unitária, na unidade detempo é chamada de densidade de fluxo radiativo. A essa densidade de fluxo denomina-seIrradiância solar (Q), sendo que sua unidade de expressão é energia por área e por tempo, e no SI édada em joule m ² s ¹, ou em watt m ² (1 J s ¹ = 1 W). Outra forma comum de expressá-la é em⁻ ⁻ ⁻ ⁻caloria cm ² min ¹ = langley min ¹. Sendo 1 cal ≈ 4,18 J, resulta que 1 cal cm ² min ¹ ≈ 696,7 W⁻ ⁻ ⁻ ⁻ ⁻m ².⁻

Define-se constante solar (Jo) como a densidade de fluxo de radiação solar incidente numasuperfície plana perpendicular aos raios solares, sem os efeitos atenuantes da atmosfera, e a umadistância equivalente a uma unidade astronômica (1 UA). Sem os efeitos da atmosfera significa queesse valor deve ser medido numa altitude onde os fenômenos atmosféricos sejam ausentes (topo daatmosfera). Atualmente, tais medições são feitas por satélites artificiais. O valor de Jo varialigeiramente em função da emitância do Sol, sendo adotado um valor médio igual a 1,97 cal cm ²⁻min ¹ = 1367 W m ². Como a distância (D) entre a Terra e o Sol varia continuamente entre o afélio⁻ ⁻e o periélio, a constante solar deve ser corrigida pelo fator (d / D)², sendo d a distância média (UA),para se obter o máximo de irradiância solar no topo da atmosfera. Essa correção se deve à lei doinverso do quadrado da distância entre a fonte luminosa e a superfície receptora. Portanto, para umcerto dia o valor máximo da irradiância solar instantânea no topo da atmosfera será igual ao produtoJo (d / D)² = Jo’.

Em seu movimento de translação ao redor do Sol a Terra está sempre recebendo radiaçãosolar. Admitindo-se que a Terra seja uma esfera com raio médio (r) igual a 6,371 106 m, elaapresenta sempre uma área (π r²) de 1,27 1014 m² voltada para o Sol. Em função do movimento derotação da Terra, a superfície exposta aos raios solares muda a cada instante. Essa área frontalintercepta (π r² Jo) 1,74 1017 J s ¹ da radiação emitida pelo Sol, e que totaliza 1,5 1022 J dia ¹,⁻ ⁻visto que 1 dia = 86400 s. Para efeito de comparação, esse total diário de energia solar interceptadaequivale àquela correspondente a 108 vezes a energia da bomba detonada em Nagasaki. Mesmoconsiderando que cerca de 30% da energia interceptada pela Terra seja refletida (albedo), se nãofosse pelo movimento de rotação e pela emissão de radiação terrestre (Lei de Stefan – Boltzmann),essa quantidade de energia não permitiria que o planeta tivesse a presente forma e aspecto.

O movimento de rotação da Terra faz com que um local receba os raios solares cominclinação diferente ao longo do dia. O somatório dos valores instantâneos de irradiância solar notopo da atmosfera ao longo do dia é um valor teórico muito útil, pois representa o potencial deenergia incidente na região. A esse total diário denomina-se de irradiância solar globalextraterrestre, sendo representado por Qo. Extraterrestre significa a situação em que não seconsidera ainda o efeito atenuador da atmosfera. Esse total varia de acordo com a latitude (Φ) e como dia do ano, fatores esses que afetam o ângulo de incidência dos raios solares. Quanto maior alatitude, maior a amplitude de Qo entre verão e inverno.

Quando a atmosfera entra em ação (Ver Efeitos da atmosfera sobre a radiação solar -Capítulo 3), situação normal, o total diário de energia solar que chega realmente à superfícieterrestre é reduzido, sendo denominado de irradiância solar global, e representado por Qg. Essaenergia (Qg) é composta pela irradiância solar direta (Qd), e pela irradiância solar difusa (Qc). Qd éa radiação que não sofre desvio em sua trajetória, sendo responsável pela projeção de sombra dosobjetos; enquanto que Qc decorre do processo de difusão (espalhamento) e não projeta sombra. Aproporção entre Qd e Qc varia ao longo do dia (ângulo de incidência dos raios solares), e tambémcom as condições de nebulosidade. Quanto mais nublado, maior a proporção de Qc, menor a porçãode Qd, e menor o valor de Qg.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 54

Leis da Radiação

Para se entender o regime radiativo de uma superfície é necessário conhecer algumas leisfundamentais da radiação, principalmente as leis de Stefan-Boltzmann e de Wien.

Lei de Stefan - Boltzmann

Todo corpo com temperatura acima de 0 K emite energia radiativa, e esta lei diz que adensidade de fluxo de energia emitida (E, em W/m) é proporcional à quarta potência de suatemperatura absoluta (T, em K), de acordo com a equação E = ε σ T⁴, em que ε é o poder emissivodo corpo (emissividade); σ é a constante de Stefan-Boltzmann (= 5,67 10-8 W/m² K = 4,903 10-9⁴MJ / m² d K ).⁴

Para a maioria dos objetos naturais, o poder emissivo varia entre 0,95 e 1,0. Para finsagrometeorológicos, adota-se o valor unitário sem se incorrer em grandes erros, mesmo porque atemperatura do objeto é sempre um valor médio. No caso da atmosfera, como sua composiçãobásica varia com o teor de umidade no ar, o valor de ε deverá ser estimado levando-se emconsideração a quantidade de vapor d’água presente. Portanto, ε varia continuamente, dia após dia,e também ao longo do dia.

Lei de Wien

Esta lei estabelece que é constante o produto da temperatura absoluta (T, em K), do objeto,pelo comprimento de onda (λmáx, em nm) de máxima emissão energética, do próprio objeto, isto é,T λmáx = constante = 2,898 10 nm K.⁶

Essa lei é fundamental para se entender o balanço de radiação na superfície da Terra. A Terraé um corpocuja temperatura média está ao redor de 300 K; enquanto que o Sol, o principal fornecedor deenergia para a Terra, tem uma temperatura aproximada de 6000 K. Pela lei de Wien determina-seque a energia emitida pela Terra tem λmáx ≈ 10 000 nm (radiação infravermelho), enquanto que aenergia recebida do Sol tem λmáx ≈ 500 nm (radiação visível). (Obs.: 1 nm = 10 m). Portanto,⁻⁹são duas ordens de magnitude de diferença entre λmáx do Sol e da Terra.

Em função do comprimento de onda da radiação emitida, diz-se que a radiação solar é deondas curtas (OC), pois quase toda energia emitida está abaixo de 3000nm, enquanto que a radiaçãodos corpos terrestres é de ondas longas (OL). Portanto, o balanço geral de radiação (BGR) nasuperfície terrestre tem dois componentes: o balanço de ondas curtas (BOC) e o balanço de ondaslongas (BOL), isto é (ver Capítulo 10), BGR = BOC + BOL.

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 55

Apendice C – Códigos

Código Na Ide Arduino - Bmp180

#include <SFE_BMP180.h>#include <Wire.h>SFE_BMP180 bmp180;void setup() {Serial.begin(9600);if (bmp180.begin())Serial.println("BMP180 iniciado corretamente");eles {Serial.println("Error ao iniciar BMP180");while(1); // loop infinito} }void loop() {char status;double T,P;status = bmp180.startTemperature();//Inicio deleitura de temperaturaif (status != 0) { delay(status); //Pausa para que finalize a leitura

status = bmp180.getTemperature(T); //Obter atemperaturaif (status != 0) {status = bmp180.startPressure(3); //Inicio leiturade pressaoif (status != 0) {delay(status);//Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getPressure(P,T); //Obteremos apressaoif (status != 0) {Serial.print("Temperatura: ");Serial.print(T,2);Serial.print(" *C , ");Serial.print("Pressao: ");Serial.print(P,2);Serial.println(" mb");} } } } delay(1000); }

Código Na Ide Arduino – Bmp180

#include <SFE_BMP180.h>#include <Wire.h>SFE_BMP180 bmp180;double PresaoNivelMar=1013.25; //pressao sobreo nivel do mar em mbarvoid setup(){Serial.begin(9600);if (bmp180.begin())Serial.println("BMP180 iniciado corretamente");else{Serial.println("Error ao iniciar BMP180");while(1); // loop infinito} }void loop() {char status;double T,P,A;status = bmp180.startTemperature();//Inicio deleitura de temperaturaif (status != 0) { delay(status); //Pausa para que finalize la leitura

status = bmp180.getTemperature(T); //Obter atemperaturaif (status != 0) {status = bmp180.startPressure(3);//Inicio leiturade pressaoif (status != 0) {delay(status);//Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getPressure(P,T);//Obtemos apressaoif (status != 0) {Serial.print("Temperatura: ");Serial.print(T);Serial.print(" *C , ");Serial.print("Pressao: ");Serial.print(P);Serial.print(" mb , "); //-------Calculamos a altitude--------A= bmp180.altitude(P,PresaoNivelMar);Serial.print("Altitude: ");Serial.print(A);Serial.println(" m s.n.m.");} } } } delay(1000); }

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 56

Código Na Ide Arduino - Bmp180

#include <SFE_BMP180.h>#include <Wire.h>SFE_BMP180 bmp180;double Po; //pressao do ponto inicial para h=0;char status;double T,P,A;void setup(){Serial.begin(9600);if (bmp180.begin()){Serial.println("BMP180 iniciado corretamenteTomando medida do ponto de referencia...n");status = bmp180.startTemperature();//Inicio deleitura de temperaturaif (status != 0){ delay(status); //Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getTemperature(T);//Obter atemperaturaif (status != 0){status = bmp180.startPressure(3);//Inicio leiturade pressaoif (status != 0){delay(status);//Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getPressure(P,T);//Obteremos apressaoif (status != 0){Po=P; //Atribuimos o valor de pressão como umponto de referênciaSerial.println("Ponto de referencia estabelecido:h=0");

}}}}}else{Serial.println("Erro ao iniciar BMP180");while(1); // loop infinito}}void loop(){status = bmp180.startTemperature();//Inicio deleitura de temperaturaif (status != 0){ delay(status); //Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getTemperature(T);//Obter atemperaturaif (status != 0){status = bmp180.startPressure(3);//Inicio leiturade pressaoif (status != 0){delay(status);//Pausa para que finalize a leiturastatus = bmp180.getPressure(P,T);//Obteremos apressaoif (status != 0){//-------Calculamos a altura com respeito a pontode referencia--------A= bmp180.altitude(P,Po);Serial.print("h=");Serial.print(A);Serial.println(" metros");}}} } delay(1000);}

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 57

Apendice D - Sensor De Temperatura E Pressao Bmp180

// Programa : Sensor de temperatura e pressao BMP180// Autor : FILIPEFLOP #include <Wire.h>#include <Adafruit_BMP085.h>#include <LiquidCrystal.h> LiquidCrystal lcd(12,11, 5, 4, 3, 2); Adafruit_BMP085 bmp180; int mostrador = 0; void setup() {Serial.begin(9600);lcd.begin(16,2);if (!bmp180.begin()) {Serial.println("Sensor nao encontrado !!");while (1) {}}} void loop() { lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Temp. :"); Serial.print("Temperatura : "); if ( bmp180.readTemperature() < 10) { lcd.print(" "); lcd.print(bmp180.readTemperature()); Serial.print(bmp180.readTemperature()); Serial.println(" C"); } else { lcd.print(bmp180.readTemperature(),1);

Serial.print(bmp180.readTemperature(),1); Serial.println(" C"); } lcd.print(" "); lcd.print((char)223); lcd.print("C "); if (mostrador == 0) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Altit.: "); Serial.print("Altitude : "); lcd.print(bmp180.readAltitude()); Serial.print(bmp180.readAltitude()); Serial.println(" m"); lcd.print(" m");} if (mostrador == 1) { lcd.setCursor(0, 1); lcd.print(""); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("Press.: "); Serial.print("Pressao : "); lcd.print(bmp180.readPressure()); Serial.print(bmp180.readPressure()); Serial.println(" Pa"); lcd.print(" Pa"); } delay(3000); mostrador = !mostrador;}

Essas informações também são mostradas no Serial Monitor :

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 58

Apendice E – Biblioteca Bmp085.H #include <built_in.h> #ifdef USE_BMP085_SOFT_I2C#define BMP085_I2C_Wr Soft_I2C_Write#define BMP085_I2C_Rd Soft_I2C_Read#define BMP085_I2C_Stop Soft_I2C_Stop#define BMP085_I2C_Start Soft_I2C_Start#define BMP085_Scl Soft_I2C_Scl#define BMP085_Sda Soft_I2C_Sda#define BMP085_Scl_DirectionSoft_I2C_Scl_Direction#define BMP085_Sda_DirectionSoft_I2C_Sda_Direction#else#define BMP085_I2C_Wr I2C1_Wr#define BMP085_I2C_Rd I2C1_Rd#define BMP085_I2C_Stop I2C1_Stop#define BMP085_I2C_Start I2C1_Start#endif#define BMP085_ADDRESS0xEE#define BMP085_ULTRALOWPOWER 0#define BMP085_STANDARD1#define BMP085_HIGHRES 2#define BMP085_ULTRAHIGHRES3//Calibration Data#define BMP085_CAL_AC10xAA //0#define BMP085_CAL_AC20xAC //1#define BMP085_CAL_AC30xAE //2#define BMP085_CAL_AC40xB0 //3#define BMP085_CAL_AC50xB2 //4#define BMP085_CAL_AC60xB4 //5#define BMP085_CAL_B1 0xB6 //6#define BMP085_CAL_B2 0xB8 //7#define BMP085_CAL_MB 0xBA //8#define BMP085_CAL_MC 0xBC //9#define BMP085_CAL_MD 0xBE //10#define BMP085_CONTROL0xF4#define BMP085_TEMPDATA 0xF6#define BMP085_PRESSUREDATA 0xF6#define BMP085_READTEMPCMD0x2E#define BMP085_READPRESSURECMD0x34typedef struct{float Temperatura;float Pressao;float Altitude;}BMP085_Barometer;typedef struct{ int AC1;

int AC2; int AC3; unsigned AC4; unsigned AC5; unsigned AC6; int mB1; int mB2; int MB; int MC; int MD; }Calibration_Data;Calibration_Data Cal;void BMP085_Init(){char i;BMP085_I2C_Start();BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_CAL_AC1 );BMP085_I2C_Start();BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS | 1 );for( i=0; i < 10; i++){ ((int*)&Cal)[i] = (BMP085_I2C_Rd(1) << 8) +BMP085_I2C_Rd(1);}((int*)&Cal)[10] = (BMP085_I2C_Rd(1) << 8) +BMP085_I2C_Rd(0);BMP085_I2C_Stop();}void BMP085_Read( char oversampling,BMP085_Barometer *Bar ){char cmd = 0x34;long UT=0, UP, _B3, _B5, _B6, X1, X2, X3, pp;unsigned long _B4, _B7; //Read Uncompensated Temperature Value BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_CONTROL ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_READTEMPCMD); BMP085_I2C_Stop(); Delay_ms( 5 ); BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_TEMPDATA ); BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS | 1 ); Hi(UT) = BMP085_I2C_Rd(1);

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 59

Lo(UT) = BMP085_I2C_Rd(0); BMP085_I2C_Stop(); //Read Uncompensated Pressure Value cmd.B6 = oversampling.B0; cmd.B7 = oversampling.B1; BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_CONTROL ); BMP085_I2C_Wr( cmd ); BMP085_I2C_Stop(); switch(oversampling) { case 0: Delay_ms(5); break; case 1: Delay_ms(8); break; case 2: Delay_ms(14); break; case 3: Delay_ms(26); break; } BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS ); BMP085_I2C_Wr( BMP085_PRESSUREDATA); BMP085_I2C_Start(); BMP085_I2C_Wr( BMP085_ADDRESS | 1 ); Higher(UP) = BMP085_I2C_Rd(1); Hi(UP) = BMP085_I2C_Rd(1); Lo(UP) = BMP085_I2C_Rd(0); BMP085_I2C_Stop(); Highest(UP) = 0; UP >>= ( 8 - oversampling ); //Calcule True Temperature X1 = ( UT - Cal.AC6 ); X1 *= Cal.AC5; X1 >>= 15; X2 = ((long)Cal.MC << 11); X2 /= (X1 + Cal.MD); _B5 = X1 + X2; Bar->Temperatura = ( (_B5 + 8) >> 4 ) / 10; //Calcule True Pressure _B6 = _B5 – 4000; X1 = pow(_B6, 2); X1 >>= 12; X1 *= (long)Cal.mB2; X1 >>= 11;

X2 = ((long)Cal.AC2 * _B6);

X2 >>= 11;

X3 = X1 + X2; _B3 = (long)Cal.AC1 * 4; _B3 += X3; _B3 <<= oversampling; _B3 += 2; _B3 >>= 2;

X1 = (Cal.AC3 * _B6); X1 >>= 13; X2 = (_B6 * _B6); X2 >>= 12; X2 *= Cal.mB1; X2 >>= 8; X2 >>= 8; X3 = ((X1 + X2) + 2 ); X3 >>= 2; _B4 = Cal.AC4; _B4 *= (unsigned long)(X3 + 32768); _B4 >>= 15; _B7 = (unsigned long)(UP - _B3); _B7 *= (unsigned long)(50000 >>oversampling); if( _B7 < 0x80000000 ) { pp = ((_B7 * 2) / _B4); } else { pp = ((_B7 / _B4) * 2); } X1 = pow((pp >> 8), 2); X1 *= 1519; X1 >>= 15; X2 = (-7357 * pp); X2 >>= 8; X2 >>= 8; Bar->Pressao = pp + ( (X1 + X2 + 3791) >> 4); //Calcula a Altitude Bar->Altitude = 1 - pow( (Bar->Pressao /101035), 0.190295 ); Bar->Altitude *= 44330;}

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 60

Apendice F - Teste Módulo Pressão Bmp085 – Adafruit

//Programa : Teste módulo pressão BMP085//Autor : Adafruit//Traducoes e comentarios : Arduino e Cia#include <Wire.h>#include <Adafruit_BMP085.h>Adafruit_BMP085 bmp;void setup() {Serial.begin(9600);if (!bmp.begin()) {Serial.println("Sensor BMP085 não encontrado,verifique as conexões !");while (1) {}}}void loop() {Serial.print("Temperatura = ");Serial.print(bmp.readTemperature());Serial.println(" *C");Serial.print("Pressao = ");

Serial.print(bmp.readPressure());Serial.println(" Pa");// Calcula a altitude utilizando a pressaobarometrica padrao// de 1013.25 milibar = 101325 PascalSerial.print("Altitude = ");Serial.print(bmp.readAltitude());Serial.println(" metros");// É possivel extrair uma medição mais precisa sevocê souber // a pressão ao nível do mar, que varia com otempo/clima. // Se ela for de 1015 milibars ,é igual a 101500Pascals.Serial.print("Altitude real = ");Serial.print(bmp.readAltitude(101500));Serial.println(" metros");Serial.println();delay(5000);}

Rodando o programa, no serial monitor, de 5 em 5 segundos será apresentada a temperatura emCelsius, a pressão em Pascal e a altitude, em metros :

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 61

Apendice G - Bmp085 - Sensor De Pressao Digital

/* BMP085 - Sensor de Pressao Digital - MCU: PIC18F4550 CLOCK: HS + PLL ( 48 Mhz ) - COMPILADOR: MikroC PRO PIC */#include <nokia3310.h>#include <bmp085.h>sbit Nokia_SCE at RD0_Bit;sbit Nokia_RST at RD1_Bit;sbit Nokia_DC at RD2_Bit;sbit Nokia_MOSI at RD3_Bit;sbit Nokia_CLK at RD4_Bit;sbit Nokia_SCE_Direction at TRISD0_Bit;sbit Nokia_RST_Direction at TRISD1_Bit;sbit Nokia_DC_Direction at TRISD2_Bit;sbit Nokia_MOSI_Direction at TRISD3_Bit;sbit Nokia_CLK_Direction at TRISD4_Bit;char text[12];BMP085_Barometer Bar;void main(){ADCON1 = 0x0F;Nokia_Init();Nokia_Clear();I2C1_Init( 100000 );Uart1_Init(9600);BMP085_Init();

while(1)

{ BMP085_Read( 0, &Bar ); LongWordToStr( Bar.Pressao, text ); LTrim(text); Nokia_Set_Cursor( 0, 0 ); Nokia_Out( "Pressao: ", BLACK ); Nokia_Out( text , BLACK ); Nokia_Out( " Pa", BLACK ); IntToStr( Bar.Altitude, text ); LTrim(text); Nokia_Set_Cursor( 0, 1 ); Nokia_Out( "Altitude: ", BLACK ); Nokia_Out( text , BLACK ); Nokia_Out( "m", BLACK ); IntToStr( Bar.Temperatura, text ); LTrim(text); Nokia_Set_Cursor( 0, 2 ); Nokia_Out( "Temp.: ", BLACK ); Nokia_Out( text , BLACK ); Nokia_Out( " C", BLACK ); Delay_ms( 300 );}}

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 62

Apendice H - Inscrições

EEBF MAZZOLA – NOVA TRENTO (SC) – PROJETO ROSA DOS VENTOSOBS: Caso o aluno queira participar de alguns dos projetos a seguir, preencha, assine e entregue

ao professor Édio ao final da apresentação.

Declaro que desejo participar de um projeto no ano de 2017, que tenho disponibilidade de participardas reuniões uma segunda-feira por mês das 20:00 as 20:40. Inicio: 03/abr/2017.

NOME:____________________________________ SÉRIE:________ DATA:________

QUAL PROJETO VOCÊ GOSTARIA DE PARTICIPAR ?01.( ) Construção de uma BIRUTA com sensor de efeito hall A3144 e de um ANEMÔMETROcom sensor magnético e PIC16F877a.02.( ) Construção de um PLUVIÔMETRO com Sensor Capacitivo e PIC16F877a.03.( ) Construção de um TERMÔMETRO com Sensor LM35 e um PSICRÔMETRO com SensorDHT11 e PIC16F877a.04.( ) Construção de um BARÔMETRO com sensor BMP180 e ARDUINO..05.( ) Construção de um PIRANÔMETRO com célula fotovoltaica e PIC16F877a.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 63

Apendice I - Equipamentos E Compopnentes

Nº Foto Descrição Preço

01 Tubo de Solda Estanho 25g 1mm –Best

Tubo de Solda Estanho 25g 1mmSolda Best, aplicável para soldagemmanual de conexões eletrônicas,contando com fluxo interno quefacilita a soldagem.

R$6,90

Refererência: http://www.baudaeletronica.com.br/tubo-de-solda-estanho-25g-1mm-best.html

02 Pasta Para Solda 110g – Cast

A pasta de solda faz com que oestanho grude no metal com maiorfacilidade, direcionando a solda para olocal correto e mantendo tudo maisfirme. A pasta de solda tem por funçãolimpar o local da soldagem facilitandoa sua aderência quando a peça ou aplaca estão muito oxidadas e a soldatem dificuldade em aderir.

R$5,50

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/pasta-para-solda-110g-cast.html

03 Ferro de Solda AFR PRO 40W 220V

Os ferros AFR PRO foram projetadoscom resistência de porcelana, o quegarante maior desempenho etransferência de calor devido aresistência estar embutida 100%dentro da ponta.

R$94,90

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/ferro-de-solda-afr-pro-40w-220v.html

04 Sugador de Solda Hikari HK-192 ESD

Sugador de solda ideal parasubstituição de componentes emplacas de circuito impresso e pequenosprotótipos.

R$19,90

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/sugador-de-solda-hikari-hk-192-esd.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 64

05 Multímetro Digital ET-1002 – Minipa

O Multímetro Digital Minipa ET-1002não é apenas o Multímetro DigitalMais Vendido do Brasil, é a MelhorEscolha para Iniciantes devido ao seuBaixo Custo e DiversasFuncionalidades como Teste deContinuidade com Alerta Sonoro eTeste de Leds, além do DesignCompacto e Toda a Qualidade que só aMinipa Oferece

R$52,90

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/multimetro-digital-et-1002-minipa.html

06 Alicate Universal HK-502 – Hikari

O alicate de corte frontal é umaferramenta muito útil e que pode serusada em diversas situações do dia adia de quem trabalha com eletrônica edesenvolvimento de protótipos. Feitocom aço carbono, este alicate tem umótimo corte e durabilidade, além desua base emborrachada para aumentaro efeito antideslizante.

R$15,90

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/alicate-de-corte-frontal-hikari.html

07 Pinça Curva HK-15 – Hikari

Pinça em aço inoxidável modelo HK-15 curva em 45 graus com pontaafiada. Anti-magnética, anti-estática,anti-ácida e não corrosiva. Boadurabilidade e praticidade. As pontassão finas e longas com a superficie lisae arredondada.

R$11,90

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/pinca-curva-hikari.html

08 Kit de Leds

Este kit foi especialmentedesenvolvido para que você possarealizar diferentes experiências comLEDs. Ideal para iniciantes emeletrônica que desejam aprender eensaiar os fundamentos de divisor detensão. Este kit acompanha resistoresde 330R para ligar os LEDs de 5V a9V, resistores de 560R para ligar osLEDs em 12V e resistores de 1K paraligar os LEDs em tensões até 24V.Itens Inclusos: 10 LEDs Amarelos 10 LEDs Vermelhos

R$15,68

Refererência:http://www.baudaeletronica.com.br/kit-de-leds.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 65

10 LEDs Verdes 10 LEDs Azuis 10 LEDs Brancos 2 LED RGB 4 Terminais CatodoComum 25 Resistores de 330Ω 10 Resistores de 560Ω 10 Resistores de 1KΩ 1 Caixa Organizadora Mini

09 Fonte ajustável para protoboard

Esta fonte pode ser diretamenteconectada a uma fonte DC ou a umasaída USB para converter sua tensãopara 5v e 3,3v (tensão muito comumusada por outros componentes). Istopermite um fornecimento ideal paraprojetos em geral devido a suaestrutura feita para encaixar em umprotoboard.Dados Técnicos: Tensão de entrada: 6,5 a 12VDC ou por cabo USB;Tensão de saída: 3,3V e 5V ; Correntede saída máxima: 700mA; Padrão doconector: P4 (5.5mm x 2.1mm);Dimensões: 53 x 31mm

R$12,90

http://www.baudaeletronica.com.br/fonte-ajustavel-para-protoboard.html

10 Protoboard 830 pontos MB-102Transparente

Protoboard 830 pontos MB-102Transparente. Excelente ferramentapara montagem e testes de circuitoseletrônicos.

R$29,90

http://www.baudaeletronica.com.br/protoboard-830-pontos-mb-102-transparente.html

11 Protoboard 170 pontos Verde

Protoboard 170 pontos Verde.Excelente ferramenta para montageme testes de circuitos eletrônicos.

R$9,90

http://www.baudaeletronica.com.br/protoboard-170-pontos-verde.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 66

12 Gravador de PIC USB K150

O Gravador de PIC USB K150 é idealpara estudantes e profissionais quedesenvolvem projetos com osmicrocontroladores da linha PIC. Elepossui um soquete ZIF de 40 pinos(Zero Inserction Force), que permitepressionar ou soltar os terminais docomponente para fixá-lo ao gravador,de forma simples e rápida sem causaresforço excessivo sobre os terminaisna hora de gravar o seumicrocontrolador.

Este gravador é conectado aocomputador através de uma portaUSB, não necessitando de uma fonteexterna de alimentação e seufuncionamento é bastante simples,basta carregar no software do gravadoro arquivo .hex gerado por qualquercompilador e então gravar.http://www.baudaeletronica.com.br/gravador-de-pic-usb-k150.html

R$63,90

http://www.baudaeletronica.com.br/gravador-de-pic-usb-k150.html

13 Gravador de PIC USB PicKit3

Este é o novo PICkit 3, umprogramador totalmente compatívelcom o software MPLAB daMicrochip! O PICkit 3 permite adepuração e programação demicrocontroladores PIC e dsPICusando a poderosa interface gráfica dousuário do ambiente dedesenvolvimento integrado MPLAB(IDE). O PICkit 3 deve ser ligado aum PC através de uma porta USB dealta velocidade e pode ser conectadodiretamente ao seu PIC ou no modoICSP (In-circuit Serial Programming).O conector possui dois pinos de I / Oe a linha de reset para implementar adepuração no circuito e In-CircuitSerial Programming.

R$149,90

http://www.baudaeletronica.com.br/gravador-de-pic-usb-pickit3.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 67

14 Display LCD 16x2 (Azul)

Display basico de 16 caracteres por 2linhas. Basicamente você vai precisarde aproximadamente 11 pinos deentrada/saída (I/O) para fazer interfacecom esta tela LCD. Inclui LEDbacklight. Características: 2 linhas de16 caracteres de 5x8 pontos comcursor; Backlight; Controlador jámontado na placa; alimentação de+5V; dimensão do módulo: 80mm X36mm X 12mm; área do visor:64,5x14mm; tamanho do ponto:0.52mm X 0.54mm; tamanho docaracter: 3mm X 5.02mm

R$19,88

http://www.baudaeletronica.com.br/display-lcd-16x2-azul.html

15 Percloreto de Ferro de 1Kg

O Percloreto de Ferro é um compostoquímico muito utilizado para afabricação de placas de circuitoimpresso. Quando dissolvido em água,o percloreto de ferro sofre hidrólise elibera calor, com esta hidrólise asolução castanha, ácida e corrosivaresultante é usada como fresador parametais cuprosos em circuitosimpressos. Você pode diluir oPercloreto de Ferro PF-1 de 1Kg daSuetoku em 3,3 L de água Opercloreto de ferro é uma substânciaquímica corrosiva, portanto, devemser tomadas todas as medidas decuidado e proteção quando da suautilização, utilize equipamentos deproteção tanto nas mãos e nos braçosquanto no rosto.

R$34,90

http://www.baudaeletronica.com.br/percloreto-de-ferro-de-1kg.html

16 Perfurador de Placa de CircuitoImpresso PP-3

Perfurador de Placa de CircuitoImpresso é uma ferramentadesenvolvida para que o profissionalda área de eletroeletrônica possa fazerfurações em placas de PCI, auxiliandoo usuário em trabalhos de manutençãoou projetos escolares (para osestudantes).O Perfurador de Placa de CircuitoImpresso é desenvolvido totalmenteem metal resistente Zincado e pintado

R$38,90

http://www.baudaeletronica.com.br/perfurador-de-placa-de-circuito-impresso-pp-3.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 68

com tinta martelada., o que aumentasua durabilidade e resistência.De grande eficiência o Perfurador dePlaca de Circuito Impresso mostra-seideal principalmente para PCIs defenolite. Se você precisa de umaferramenta de baixo custo e grandeutilidade não deixe de adquirir o seuPerfurador PP-3

17 Placa de Fenolite Virgem 10x20 cm

A Placa de Fenolite Virgem é muitousada entre profissionais, hobistas eestudantes que produzem suaspróprias placas de circuito impressoseja para protótipos ou definitivas emseus projetos.

Construída com uma camada de cobresobre sua superfície, a Placa paraCircuito Impresso possui altaspropriedades condutivas, auxiliandoem seus projetos e agregando maiorsegurança e praticidade para seuprojeto.

R$7,26

http://www.baudaeletronica.com.br/placa-de-fenolite-virgem-10x20-cm.html

18 Clip de Bateria 9V [Horizontal] + PlugP4 para Arduino

Conector para alimentação por bateria9V com cabos preto e vermelho de28AWG, com plug P4 ideal paraalimentar placas Arduino

R$6,31

http://www.baudaeletronica.com.br/clip-de-bateria-9v-vertical-plug-p4-para-arduino.html

19 Bateria 9V - GP Greencell

Bateria alcalina 9V.

R$7,90

http://www.baudaeletronica.com.br/bateria-9v-gp-greencell.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 69

20 Painel solar flexível 1,5V/250mA -DFRobot

Leve, fino e versátil, o painel solar de1.5V/250MA, deiferentemente dosdemais painéis solares, éverdadeiramente flexível para serdobrado, costurado ou tratado sobreroupas e vestimentas combinando comqualquer superfície. Uma boa opçãopara entusiastas que procuram poruma fonte de energia alternativa.Energia limpa em um tamanhocompacto e versátil. As bordas pretas podem ser facilmentecortadas ou costuradas, e o painelsolar é a prova d'água. Dados Técnicos:

Tensão de operação: 1.5V Corrente nominal: 250mA Tensão de circuito aberto: 2.0V Corrente de curto circuito: 420mA Potência: 0.5W Temperatura de operação: -40 ~℃80 ℃ Dimensões: Comprimento 165mm(com as bordas pretas 195mm) XLargura 38mm (com as bordas pretas58mm) X espessura 0.5mm. Peso 20g Material: filme ETFE durável e dealta transmitância

Nota: Os parâmetros elétricos deperformance foram medidos sobcondições padrão de teste: intensidadede luz = 1000W / ㎡ , espectro =AM1.5, temperatura = 25 ℃

R$89,90

http://www.baudaeletronica.com.br/painel-solar-flexivel-1-5v-250ma-dfrobot.html

21 Soquete estampado para CI 40 pinos

O Soquete estampado para CI 40pinos e uma opção para facilitar odesenvolvimento do seu protótipo,pois a utilização do mesmo possibilitauma substituição do componente deforma simples, rápida e muito práticaem casos de alterações e reparos nocircuito.

R$1,00

http://www.baudaeletronica.com.br/soquete-estampado-para-ci-40-pinos.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 70

22 Arduino Uno R3 Original da Itália

O Arduino Uno é uma placa demicrocontrolador baseado noATmega328 (datasheet). Ele tem 14pinos de entrada/saída digital (dosquais 6 podem ser usados como saídasPWM), 6 entradas analógicas, umcristal oscilador de 16MHz, umaconexão USB, uma entrada dealimentação uma conexão ICSP e umbotão de reset. Ele contém todos oscomponentes necessários para suportaro microcontrolador, simplesmenteconecte a um computador pela portaUSB ou alimentar com uma fonte oucom uma bateria e tudo pronto paracomeçar.

R$149,90

http://www.baudaeletronica.com.br/arduino-uno-r3-original.html

23 Arduino Uno R3 – Compatível

O Arduino Uno é uma placa demicrocontrolador baseado noATmega328 (datasheet). Ele tem 14pinos de entrada/saída digital (dosquais 6 podem ser usados como saídasPWM), 6 entradas analógicas, umcristal oscilador de 16MHz, umaconexão USB, uma entrada dealimentação uma conexão ICSP e umbotão de reset. Ele contém todos oscomponentes necessários para suportaro microcontrolador, simplesmenteconecte a um computador pela portaUSB ou alimentar com uma fonte oucom uma bateria e tudo pronto paracomeçar.

R$58,90

http://www.baudaeletronica.com.br/arduino-uno-r3.html

24 Sensor Magnético Reed Switch

Este pequeno sensor chamado ReedSwitch é utilizado para se detectar apresença de um campo magnético. Seufuncionamento é muito simples,quando ele é exposto a um campomagnético os dois filetes de ferrodentro da ampola de vidro são atraídosjuntos e o contato se fecha, e quando ocampo magnético é removido, osfiletes se separam novamente e ocontato se abre.

R$1,50

http://www.baudaeletronica.com.br/sensor-magnetico-reed-switch.html

Datasheet: http://www.sparkfun.com/datasheets/Components/Buttons/MDSR-4.pdf

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 71

25 Chave Táctil 6x6x4,3mm 2 Terminais

Chave Táctil KFC-A06-6X6X4,3Chave táctil ideal para testes emprotoboards e principalmente paraenviar comando para entradas digitaisde microcontroladore e placasArduino. Dados Técnicos:Contatos: 1 NACorrente Máxima: 50mAResistencia no Contato Máx: 0,1 OhmRigidez Dielétrica: 250VA - 1 minutoVida ùtil: >100.000 operaçõesCurso: 0,25mm +/- 0,1 mm

R$0,32

http://www.baudaeletronica.com.br/chave-tactil-6x6x4-3mm-2-terminais.html

26 Chave Botão 8x8mm com trava azul

Chave Botão 8x8mm azul com trava ecom contatos NA e NF.

R$0,68

http://www.baudaeletronica.com.br/chave-bot-o-8x8mm-com-trava-azul.html

27 Buzzer 5V

Buzzer 5V / 12mm (com osciladorinterno). Este buzzer possui osciladorinterno e emite um som contínuoquando alimentado com 5V

R$1,50

http://www.baudaeletronica.com.br/buzzer-5v.html

28 Cristal Oscilador 16MHz - CanecaAlta

Cristal oscilador 16 MHz - HC49Upara microcontroladores.

R$1,05

http://www.baudaeletronica.com.br/cristal-oscilador-16mhz-caneca-alta.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 72

29 Capacitor Cerâmico 100nF / 50V

Capacitor cerâmico tipo disco de100nF / 50V e tolerância de +/- 10%.

R$0,06

http://www.baudaeletronica.com.br/capacitor-ceramico-100nf-50v.html

30 Capacitor Cerâmico 33nF / 50V

Capacitor cerâmico tipo disco de 33nF/ 50V e tolerância de +/- 10%.

R$0,06

http://www.baudaeletronica.com.br/capacitor-ceramico-33nf-50v.html

31 Capacitor Eletrolítico 100uF / 63V

Capacitor Eletrolítico de 100uF / 63Ve tolerância de +/- 10%.

R$ 0,48

http://www.baudaeletronica.com.br/capacitor-eletrolitico-100uf-63v.html

32 Capacitor de Poliester 150nF / 250V

Capacitor de Poliester 150nF / 250V etolerância de +/- 20%.

R$0,47

http://www.baudaeletronica.com.br/capacitor-de-poliester-150nf-250v.html

33 Microcontrolador PIC16F877A

O microcontrolador PIC16F877A fazparte da popular família demicrocontroladores de 8 bits e núcleode 14 bits (série PIC16F...) lançadapela MICROCHIP. Ele ofereceperformance que permite executardesde um simples programa que fazpiscar um LED até um controle de umrobo ou ainda um programa decontrole de acesso controlado porrede.DADOS TÉCNICOS:Microcontrolador : PIC16F877ATensão de operação : 5V TTLTensão de alimentaçãomáxima : 5.5VEntradas e saídas digitais: 33

R$36,00

http://www.baudaeletronica.com.br/microcontrolador-pic16f877a.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 73

Corrente de saída : 25 mAMemória Flash : 14,3 KB / 8192Instruções (para armazenagem decódigo): Memória SRAM : 368 BytesMemória EEPROM: 256 BytesVelocidade do Clock: 0 - 20 MHz

34 Potenciômetro Linear de 1K (1000Ω)

Potenciômetro Linear Rotativo de 1K(1000Ω).DADOS TÉCNICOSTipo : Linear rotativoResistência : 1K (1000Ω)Potência máxima : 0,2WTensão máxima suportada : 200V ACDiâmetro da base : 16mmDiâmetro do eixo : 5mmAltura da base à ponta do eixo: 14mm

R$1,90

http://www.baudaeletronica.com.br/potenciometro-linear-rotativo-de-1k-1000.html

35 Trimpot Linear Horizontal de 200R(200Ω)

Potenciômetro Linear Rotativo de200R (200Ω).DADOS TÉCNICOSTipo: Trimpot Linear rotativoResistência : 200R (200Ω)Potência máxima: 0,5WTensão máxima suportada : 300V ACDimensões: 10mm x 10mm x 5mm

R$1,60

http://www.baudaeletronica.com.br/trimpot-linear-horizontal-de-200r-200.html

36 Knob para potenciômetro Verde

Este Knob para potenciômetro facilitao manuseio do eixo do potenciômetroe possibilita um melhor acabamentode sua instalação

R$1,49

http://www.baudaeletronica.com.br/knob-para-potenciometro-verde.html

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 74

37 Regulador de Tensão L7812

O regulador de tensão 7812 é umregulador de tensão fixa de 12V detrês terminais.Dados Técnicos:Tensão de regulação :12V Tensão recomendada de alimentação:15,5V à 27VCorrente média de saída : 500mA

R$2,00http://www.baudaeletronica.com.br/regulador-de-tens-o-l7812.html Datasheet:http://www.baudaeletronica.com.br/Documentos/L78XX.pdf

38 Regulador de tensão ajustávelLM317T. Como os reguladores lineares, oLM317 é bastante usados em aplicações DCpara DC. Reguladores lineares podem drenartanta corrente quanto eles fornecem. E estacorrente multiplicada pela diferença de tensãoentre a entrada e a saída, resulta em umaquantidade significativa de resultados de calor.Mas mesmo assim, a utilização de um LM317pode também requerer a utilização de umdissipador de calor. Para grandes diferenças detensão, a energia perdida na forma de calorpode superar a fornecida pelo circuito.

R$2,00http://www.baudaeletronica.com.br/regulador-de-tens-o-ajustavel-lm317t.html Datasheet:http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/stmicroelectronics/2154.pdf

39 Resistor 1K 5% (1/4W)

Resistor de filme de carbono de 1K(1000Ω), de 1/4W e tolerância de +/-5%. Resistor 10K 5% (1/4W)Resistor de filme de carbono de 10K(10000Ω), de 1/4W e tolerância de +/-5%.

R$0,10: http://www.baudaeletronica.com.br/resistor-1k-5-1-4w.html

R$0,05http://www.baudaeletronica.com.br/resistor-10k-5-1-4w.html

40 Dataseeht: http://ae-bst.resource.bosch.com/media/products/dokumente/bmp180/BST-BMP180-DS000-12~1.pdf Biblioteca:https://github.com/adafruit/Adafruit-BMP085-Library/archive/master.zip Especificações*

Sensor Pressão Barômetro ArduinoBMP180 (Substitui BMP085)Sensor de pressão e temperatura substituto doBMP085 utilizando o mesmo código eesquemas. Resolução melhorada. ParaArduino PIC Atmega ARM Raspberry. Este éum sensor de pressão atmosférica digital feitocom o chip da BOSCH BMP180 o sucessor doBMP085. Pode medir uma faixa de 300-1100hPa com resolução de 50cm! Possuibaixíssimo consumo de corrente de até 5uA. Osensor suporta uma tensão de 1,8-3,6V e foiprojetado para comunicar-se via I2C com ummicrocontrolador.

R$ 15,00

http://www.alexandreaugusto.com.br/sensor-pressao-barometro-arduino-bmp180-substitui-bmp085

*Modelo placa: GY-68, Resolução: 0.02hPa / 0.17m, -40 to +85°C operational range, +-2°C temperature accuracy, 2-pin i2c interface on chip, Tensão de operação: 3.3V/5V, Intervalo de pressão: 300 ~ 1100 hPa (atitude 9000m ~ -500m),Baixo consumo de energia: 5 uA, Tempo de reação: 7,5ms, Resolução: 0,06hPa (Altitude 50cm). Dimensões: 14 x 12mm, Peso: 1,2g, Interface: I2C

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 75

Apendice J – Esquemático da Estação Completa

Projeto Rosa dos Ventos - Estação Metereológica - 08/04/17 - Página 76