LABSI
2023/2024
Autores:
Ricardo David Melo Ribeiro (Nº 1201417)
1201417@isep.ipp.pt
Tiago André Barreirinho Miranda (Nº 1201649)
1201649@isep.ipp.pt
A busca por fontes de energia sustentáveis e renováveis tem se tornado imperativa, e a energia solar surge como uma alternativa promissora. Nesse contexto, o desenvolvimento de tecnologias que maximizem a eficiência na captação de energia solar torna-se crucial. O presente projeto propõe uma solução inovadora: um painel solar rotativo, composto por dois eixos controlados por motores (servo motores ou motores de passo) e gerenciados pelo microcontrolador ATMEGA328P.
A estrutura do painel é concebida para realizar movimentos precisos em dois planos: horizontal e vertical. Essa capacidade de orientação possibilita que o painel siga a trajetória do sol ao longo do dia, otimizando a captura da intensidade luminosa. O ATMEGA328P assume um papel central no controle do sistema, sendo responsável por processar dados provenientes de sensores de intensidade luminosa posicionados estrategicamente em quatro pontos ao redor do painel.
A leitura desses valores luminosos fornece informações cruciais para determinar a posição ideal do painel em relação à fonte solar. Com base nessas informações, o microcontrolador calcula e envia comandos aos motores, garantindo que o painel seja constantemente ajustado para maximizar a captação de irradiação solar. Essa abordagem dinâmica permite a otimização contínua do rendimento do painel ao longo do dia, resultando em uma produção de energia mais eficiente.
A apresentação do Projeto/Motivação e Objetivos tem por base o contexto global de transição para fontes de energia mais limpas e sustentáveis impulsionando a busca por soluções inovadoras no campo da energia solar. Este projeto surge como resposta a essa demanda crescente, apresentando um painel solar rotativo, meticulosamente controlado pelo microcontrolador ATMEGA328P. A motivação subjacente é clara: otimizar a captação de energia solar ao longo do dia, maximizando a eficiência do processo de conversão solar.
Os objetivos incluem a orientação dinâmica do painel, o controle preciso com o ATMEGA328P, a maximização da eficiência energética e a contribuição para a sustentabilidade por meio da adoção generalizada de tecnologias solares.
Para contextualizar este projeto no cenário atual, é crucial examinar o estado de arte de projetos similares. Ao observarmos exemplos notáveis na área, como o "Solar Tracker using Arduino" e o "Dual-Axis Solar Tracker using Raspberry Pi", identificamos avanços significativos em tecnologias de rastreamento solar e orientação de painéis.
Esses projetos servem como fontes inspiradoras e guias para a implementação prática de nosso painel solar rotativo controlado pelo ATMEGA328P. Ao explorar suas abordagens, podemos identificar melhores práticas, desafios enfrentados e soluções inovadoras que informarão a evolução contínua do nosso próprio projeto.
Dessa forma, este trabalho se propõe não apenas a contribuir para a eficiência energética, mas também a integrar-se ao panorama mais amplo de inovações em energia solar, impulsionando avanços tecnológicos em direção a um futuro mais sustentável.
O painel solar rotativo será composto por dois eixos, um que oriente o painel solar na horizontal e outro na vertical. Estes movimentos serão feitos por motores(servo motores) e controlados pelo ATMEGA328P. O ATMEGA iráler valores da intensidade luminosa presente em quatro pontos ao redor do painel (LDR's) ecom base na informação obtida o painel será rodado em direção ao sol. Este paineltem como grande objetivo captar a maior irradiação possível para assim gerar maiorpotência/rendimento ao longe de um dia.
Conforme a Figura 2 abaixo apresentada, é possível visualizar uma comunicação analógica entre as LDR's - Atmega, sensor de tensão - Atmega, sensor de corrente - Atmega. Sendo estes valores variáveis de 0 a 255, correspondente de 0V a 5V.
A comunicação servoY - Atmega e servoX - Atmega é por um sinal PMM com frequência de 50Hz e um dutycycle variável de 1ms a 2ms, correspondente do servo rodar entre 0º e 180º.
A frequencia gerada para o LED é construida pela On e pelo OFF do PINO do Atmega correspondente.
O LCD recebe o conjunto de 0's e 1's distribuidos do PORTD2 ao PORTD7, formando assim as palavras desejadas.
A cominucação Atmega - Arduino Nano, é feita do Pinos TX (PORTD1) para o Pino RX, passando neste canal palavras constituidas por 0's e 1's.
Para finalizar a comunicação Arduino - Computador (Interface gráfica), é feita por cabo USB usando o monito serial.
O projeto é composto por uma variedade de componentes essenciais para seu funcionamento eficaz:
USBASP + Adaptador:
O USBASP, em conjunto com o adaptador, constitui um programador de microcontroladores AVR, proporcionando uma interface USB eficiente para gravar e depurar códigos nos dispositivos AVR. Essa combinação versátil simplifica a programação e depuração, assegurando uma transferência rápida de dados entre o computador host e o microcontrolador.4 LDRs (Fotodetectores de Resistência de Luz):
Os 4 Fotodetectores de Resistência de Luz (LDRs) são sensores semicondutores sensíveis à luz, ajustando sua resistência elétrica conforme a intensidade luminosa incidente. Estrategicamente posicionados em quatro pontos ao redor do painel solar, esses LDRs fornecem dados cruciais para o sistema, permitindo que o microcontrolador tome decisões informadas sobre a orientação do painel em relação à fonte solar.ATMEGA328P:
O ATMEGA328P é o cérebro do sistema, um microcontrolador AVR amplamente utilizado. Responsável pelo processamento e controle, o ATMEGA328P lê dados dos sensores, calcula as posições ideais e emite comandos para os motores, garantindo a orientação precisa do painel solar.2 Servo Motores:
Os 2 servo motores desempenham um papel crucial na movimentação do painel solar. Controlados pelo ATMEGA328P, esses motores operam nos eixos horizontal e vertical, permitindo que o painel siga a trajetória do sol ao longo do dia para otimizar a captação de luz solar.5 Resistências de 10k e 7 Resistências de 1k:
As resistências são componentes fundamentais na limitação de corrente e na divisão de tensão em circuitos eletrônicos. As resistências de 10k e 1k são usadas para diversos propósitos, desde a proteção dos LEDs até a divisão de tensão em partes específicas do circuito.1 Switch:
O switch, ou interruptor, é empregado para controlar o funcionamento do sistema. Ele pode ser utilizado para ligar ou desligar o painel solar rotativo, proporcionando um meio prático de gerenciar a operação do projeto.Display:
O display é um componente visual essencial para fornecer informações sobre o estado e o desempenho do sistema. Pode exibir dados como a intensidade luminosa atual, a posição do painel solar ou outras métricas relevantes.Fios Conectores:
Os fios conectores são responsáveis pela interligação elétrica entre os diversos componentes do sistema. Garantem uma comunicação eficaz e confiável, contribuindo para a integridade do circuito.Cristal de 16MHz:
O cristal de 16MHz fornece uma referência de tempo precisa para o ATMEGA328P, sincronizando operações críticas no microcontrolador e garantindo a estabilidade do sistema.1 LED Verde:
O LED azul é utilizado como indicador visual, podendo sinalizar estados específicos do sistema, como ligado, desligado ou outras condições relevantes.2 Condensadores de 22pF:
Os condensadores de 22pF são empregados em conjunto com o cristal para estabilizar a frequência de oscilação do microcontrolador, contribuindo para um funcionamento consistente e preciso.Breadboard:
A breadboard é uma plataforma de prototipagem que permite a montagem temporária e interconexão de componentes eletrônicos. Facilita o desenvolvimento e teste do circuito antes da implementação final.Placa Furada:
A placa furada é utilizada para a construção física do projeto. Serve como uma base sólida para a fixação de componentes, proporcionando uma estrutura organizada e durável para o painel solar rotativo.
O código tem por base a função main em que esta é responsável por decisões e chamadas das subfunções ás quais têm cada uma a sua funcionalidade. Inicialmente são configuradas as inicializações: Defenição de entradas e saídas dos PORTS. TIMER1 a gerar um sinal de pwm. TIMER2 configurado como um contador de tempo. Configuração da USART. Configuração das ações do LCD.
Rotação dos servos para efeito demonstração e teste dos ângulos que o Painel abrange. Em simultâneo é apresentado no LCD o nome do projeto.
Em ciclo infinito é lida a intensidade luminosa nas LDR's. Em seguida, lê a tensão que o Painel está a fornecer (Devido à baixa potência do Painel e sendo a resolução do sensor de corrente - ACS712, não é possível ler o valor fornceido pelo sensor no ADC, a variação é praticamente nula).
Em seguida, através dos valores das LDR's e de uma variável é definido se o Sol se encontra á direita ou á esquerda. O mesmo acontece para decidir se o Sol se encontra mais a cima ou mais a baixo.
Perante isto, é aumentado ou diminuido o tempo do dutycycle do servoY até que o valor da luminusidade das LDR's 3 e 4 sejam iguais, isto fará com que o Painel se mova para cima ou para baixo. De igual modo, é também lido os valor das LDR's 1 e 2 para que este se mova para a esquerda ou para a direita, variando o valor do dutycyle servoX.
Com a função Servos(), é possível verificar se os ângulos ultrapassam os limites da estrutura, sendo estes pré-definidos no inicio do decorrer do código.
Em simultâneo ao descrito no paragrafo anterior o TIMER2 através da interrupção externa irá incrementar o contador de forma a passar 0.5seg e inverte automaticamente o estado do LED. Desta forma, o LED liga durante meio segudo e desliga durante meio segundo, o equivalente a 1Hz.
Após isto, é feita uma atualização ao LCD dos valores das LDR's, enviando também o valor pela USART.
Em relação ao Arduino, este é responsável apenas pela interligação do Atmega ao computador, em substituição do dispositivo RS232.
Inicialmente no setup é definida a taxa de comunicação com o monitor serial de 9600bps, em seguida é feita a inicialização da USART habilitando a receção de dados e uma taxa de comunicação de 9600bps igual ao definido na configuração da USART no Atmega328P.
Em ciclo infinito, o arduino está sempre a ler a entrada da USART e escreve o valor no monitor serial, para que este valor possa ser lido processing.
A interface gráfica é projetada utilizando o Software Processing de modo a que seja crida uma janela com um gráfico em que é possível visualizar o valor da tensão fornecida pelo Painel ao longo do tempo.
É configurada a porta de cominucação e a taxa de 9600bps, igual á porta monitor serial do Arduino. Em seguida cria o design do gráfico (cor de fundo, cor do texto e o respetivo tamanho). É também criada a grelha de fundo com os respetivos eixos XX e YY (valores e rótulo), para ser possível representar os pontos dos valores recebidos que corresponde á tensão do Painel.
No ciclo principal, é representado o ponto correspondente, do valor recebido, no gráfico. É criado no canto superior direito o botão de "SALVAR", após um passagem do mouse neste botão é salva uma imagem da janela visualizada.
Após a implementação bem-sucedida do sistema de painel solar rotativo, é com grande satisfação que apresentamos os resultados obtidos.
Conforme evidenciado no vídeo vinculado abaixo, o painel solar responde de maneira precisa e eficiente aos estímulos luminosos simulados. Ao longo da demonstração, observamos a dinâmica orquestrada dos dois servo motores em ação, ajustando a orientação do painel nos eixos horizontal e vertical.
É notável observar a sincronização precisa entre os componentes, resultando em uma resposta ágil às variações de intensidade luminosa. A eficiência do painel solar rotativo na busca e maximização da captação solar demonstra sua viabilidade como uma solução prática para otimizar a geração de energia sustentável.
Em resumo, os resultados obtidos corroboram a eficácia do sistema, ressaltando não apenas sua funcionalidade técnica, mas também sua aplicabilidade prática na busca por maior eficiência na captação de energia solar. Este êxito reforça a promissora contribuição deste projeto para o campo das tecnologias de energia renovável.
Ao longo deste projeto, embarcamos em uma jornada que visava criar uma solução inovadora para otimizar a captação de energia solar. A concepção e implementação do painel solar rotativo, impulsionado pelo microcontrolador ATMEGA328P, foram guiadas por um compromisso fundamental com a eficiência energética, a sustentabilidade e a aplicação prática de avanços tecnológicos.
A combinação de servo motores, sensores LDR, e o ATMEGA328P representa o núcleo tecnológico do projeto. A capacidade de processamento ágil do ATMEGA328P e a precisão dos servo motores permitiram o controle dinâmico do painel em resposta às variações na intensidade luminosa. Os sensores LDR, estrategicamente posicionados, desempenharam um papel crucial na coleta de dados ambientais, informando decisões em tempo real sobre a orientação ideal do painel.
A eficiência do sistema foi evidenciada pela capacidade do painel solar rotativo de ajustar-se continuamente à trajetória do sol. O algoritmo de controle, impulsionado pelo ATMEGA328P, demonstrou uma notável capacidade de adaptação às mudanças nas condições luminosas. A resposta coordenada dos servo motores refletiu-se em movimentos suaves e precisos, resultando em uma captura otimizada da irradiação solar.
O projeto, centrado na otimização da captação de energia solar, demonstrou alcançar os objetivos estabelecidos. A orientação dinâmica do painel, a leitura precisa dos sensores LDR e a resposta coordenada dos servo motores foram consistentes com a visão inicial do sistema. A contribuição para a eficiência energética e a sustentabilidade, fundamentais no escopo do projeto, foram satisfatoriamente abordadas.
A busca por soluções sustentáveis é um imperativo global, e o painel solar rotativo apresenta-se como uma resposta inovadora a esse desafio. Ao maximizar a eficiência na captação de energia solar, o projeto proposto visa contribuir para a transição para fontes de energia mais limpas e renováveis. A aplicação prática dessas tecnologias não apenas aumenta a eficiência energética, mas também promove a adoção generalizada de sistemas de geração de energia sustentável.
Ao contextualizar este projeto no cenário atual de inovações em energia solar, analisamos projetos similares que serviram de inspiração e guia para o desenvolvimento do painel solar rotativo. A contínua evolução da tecnologia nesta área abre portas para futuras melhorias e aprimoramentos. Este projeto representa uma contribuição significativa para a pesquisa em energia renovável. A análise crítica forneceu insights valiosos sobre o desempenho de cada subsistema, apontando caminhos claros para futuras melhorias. As perspectivas futuras incluem a exploração de tecnologias emergentes, a integração de métodos mais avançados de controle e a contínua otimização do sistema para garantir um desempenho ainda mais eficiente.
A combinação cuidadosa de componentes foi fundamental para a funcionalidade do sistema. A disposição lógica e eficaz destes mesmos elementos resultou em um circuito coeso e operacional, demonstrando a importância de uma abordagem holística no design.
O vídeo de demonstração, que ilustra o funcionamento perfeito do painel solar rotativo, é um testemunho tangível dos resultados alcançados. Este projeto não apenas se destaca em termos de desempenho técnico, mas também sinaliza um passo significativo em direção à viabilidade prática de soluções de energia renovável.
Para o futuro, consideramos este projeto como um ponto de partida promissor. A análise crítica dos resultados e a revisão contínua do sistema podem conduzir a refinamentos adicionais. Explorar a integração de tecnologias de comunicação, implementar algoritmos mais avançados e buscar formas de aumentar a eficiência do hardware são áreas dignas de investigação.
Em última análise, este projeto representa uma contribuição valiosa para o campo das tecnologias de energia renovável. O painel solar rotativo, impulsionado pelo ATMEGA328P, oferece uma solução funcional, sustentável e eficaz para a otimização da captação de energia solar, contribuindo assim para um futuro mais verde e energeticamente eficiente.
[1] Atmel Corporation—«ATmega328P 8-bit AVR Microcontroller with 32K Bytes In-System Programmable Flash DATASHEET» . 2015. Acedido: 2 de janeiro de 2024.Disponível em: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf
[2] Aulas Teóricas de LABSI— Acedido: 2 de janeiro de 2024. Disponível em: https://moodle.isep.ipp.pt/course/view.php?id=4345