Mini Estufa Automatizada para a Germinação de Pimenta-Jalapenho
LABSI
2024
Autor:
José Fernando Marques Alves (1201019)
1201019@isep.ipp.pt
Este trabalho surgiu no âmbito da unidade curricular de Laboratório de Sistemas, da Licenciatura de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores do Instituto de Superior de Engenharia do Porto.
Neste relatório está idealizado e caracterizado a constituição do projeto, nomeadamente a sua arquitetura e todo o hardware utilizado bem como o software necessário para a sua implementação e funcionamento. Depois também é feita uma discussão dos resultados e é também apresentado as principais conclusões com a elaboração deste projeto.
O projeto consiste na elaboração de uma mini estufa automatizada, utilizando um microcontrolador programado em linguagem C, que seja capaz de controlar o valor da temperatura no interior da estufa com o auxílio de dois atuadores, um para aumentar a temperatura caso esta esteja abaixo do desejado e outro que diminua a temperatura caso esta esteja acima do ideal.
Para que seja mais fácil a interpretação do projeto, este seguirá a estrutura apresentada na Figura 1. Através do diagrama de blocos é possível perceber que o microcontrolador deverá receber e ler a queda de tensão à saída do amplificador diferencial. Consoante esse valor deverá ser atuado ou a ventoinha ou o aquecedor de modo a que a temperatura no interior da estufa esteja dentro da janela ideal para o cultivo da Pimenta-Jalapenho.
Figura 1: Diagrama de blocos do projeto
O primeiro bloco da Figura 1 corresponde à ponte de Wheatstone onde está presente o NTC, sensor resistivo de temperatura. A ponte foi dimensionada de forma a que a queda de tensão entre os dois braços varie entre 0 e, aproximadamente, 5 V e, para além disso, os valores das resistências foram obtidos de forma a que a ponte esteja equilibrada.
A ponte está conectada a um amplificador diferencial, cujo propósito é obter um sinal à saída que varie também entre os 0 e 5 V. Desta forma, este foi idealizado com um ganho de 1 V/V. Optou-se pela utilização do amplificador diferencial pela sua simples implementação, precisão e redução de ruídos de modo a proporcionar uma leitura mais eficiente do valor da temperatura. A queda de tensão à saída do amplificador é o valor que se pretende ler através do microcontrolador e para o proteger utilizou-se um díodo de Zener com uma tensão de corte de 4,7 V.
O sinal à saída do amplificador diferencial é enviado para o microcontrolador onde deve ser lido e convertido, ou seja, fazendo uma Conversão Analógica-Digital (ADC). Dependendo do sinal de entrada é acionado a ventoinha e o respetivo LED ou o aquecedor e o respetivo LED. Para além disso, é colocado um LED a piscar à frequência de 1 Hz através de um sinal PWM.
Para garantir que o microcontrolador funcione conforme o esperado é alimentado através de um regulador de tensão e é utilizado um cristal para assegurar o funcionamento a uma frequência de 16 MHz.
Sensor
Para efetuar a medição da temperatura dentro da estufa foi escolhido o sensor resistivo NTC de 10 kΩ devido à sua simples implementação e à familiarização com este tipo de hardware (Figura 2). Este tipo de sensores variam a sua resistência consoante a temperatura ambiente em que estão envolvidos. Desta forma, ao variar a resistência há também uma variação da queda de tensão aos terminais do NTC. Os valores da resistência do sensor variam como mostra a Figura 3.
Figura 2: NTC
Figura 3: Valores do NTC [1]
Amplificador
Para realizar a amplificação do sinal proveniente da ponte de Wheatstone utilizou-se o TL082 da Texas Instruments, presente na Figura 4. O TL082 é um amplificador operacional (AmpOp) que faz parte da família de dispositivos TL08x. À saída do amplificador diferencial colocou-se um díodo de Zener (Figura 5) de 4,7 V para evitar que seja enviado algum sinal que possa danificar o microcontrolador.
Figura 4: TL082
Figura 5: Díodo de Zener 4,7 V
Microcontrolador
O controlo da temperatura interna da estufa é efetuado pelo microcontrolador ATmega328P, ilustrado na Figura 6. O ATmega328P é um microcontrolador com uma arquitetura de 8 bits fabricado pela Atmel. Este é constituído por 14 pinos de entrada/saída analógica sendo que 6 são saídas PWM, 6 entradas analógicas, 1 porto de comunicação série UART, um clock interno de 1 MHz que é expandível até 20 MHz e pinos IPS. No que toca a memória, o microcontrolador possui 32 kB de memória flash, 1 kB EEPROM e 2 kB de SRAM [2]. Este microcontrolador é amplamente utilizado em projetos de eletrónica até porque está presente numa das placas mais utilizadas, o Arduino UNO.
Figura 6: Microcontrolador ATmega328P
Aquecedor
Com o objetivo de aquecer e desumidificar a estufa foi escolhido um aquecedor de cerâmica termostático de 100 °C, presente na Figura 7.
Figura 7: Aquecedor cerâmico termostático
Ventoinha
Com o objetivo de arrefecer a estufa foi escolhido uma ventoinha de 5 V, como mostra a Figura 8.
Figura 8: Ventoinha
LED's
Um dos requisitos do projeto é ter um LED a piscar à frequência de 1 Hz e, para além disso, para visualizar o funcionamento tanto da ventoinha como do aquecedor utilizou-se mais dois LED's vermelhos como o da Figura 9. Ou seja, quando for ativado o aquecedor deve ser ligado o respetivo LED e o mesmo deverá acontecer para a ventoinha.
Figura 9: LED's
Regulador de Tensão e Cristal ExternoTal como foi dito anteriormente, é utilizado um regulador de tensão de 5 V (Figura 10) para alimentar o microcontrolador e um cristal externo (Figura 11) para que este funcione a 16 MHz.
Figura 10: Regulador de tensão
Figura 11: Cristal externo
Esquema ElétricoDepois de selecionado todo o material partiu-se para a montagem do circuto como mostra o esquema elétrico, presente na Figura 12.
Figura 12: Esquema Elétrico
Neste capítulo é apresentado a lógica de programação para realizar o controlo da temperatura no interior da estufa. O código é dividido em 4 partes, na interrupção externa do TIMER1 ISR(), a função inic() onde é feita as inicializações necessárias para o funcionamento do sistema, a função read_ADC() onde é inicializado a conversão AD e na função main().
TIMER1
Configurou-se o TIMER1 para gerar uma base de tempo de 1 segundo (@16MHz) onde é alterado o valor lógico do pino PD6, tal como é ilustrado na Figura 13, fazendo com que o LED pisque à frequência de 1 Hz.
Figura 13: TIMER1
Inicializações
Na função inic() é feito as inicializações necessárias para o funcionamento da estufa. Segundo a Figura 14 é percetível que primeiro inicializou-se os PORTS, depois o TIMER1 para gerar a base de tempo de 1 segundo, como foi referido anteriormente, depois o conversor AD com obtenção de leituras de 8 bits de precisão e, por fim, é inicializado o sistema de interrupção do TIMER1 e o enable global.
Figura 14: Inicializações
Conversão AD
Para realizar o controlo da temperatura da estufa é necessário ler o valor da mesma através da ponte de Wheatstone com o NTC e do amplificador diferencial onde à saída é enviado o sinal para ser lido e convertido. Com a função read_ADC() é inicializado a conversão AD e é guardado o valor da conversão numa variável, como é visível na Figura 15.
Figura 15: Conversão AD
Função main()
Por fim, a função main() começa por executar as inicializações do sistema, depois, entra no ciclo de funcionamento. Este começa por fazer a média de 4 leituras da tensão proveniente do amplificador e se a temperatura for menor que 20 °C deve ser ligado o aquecedor e o respetivo LED, caso contrário estes devem ser desligados. De seguida é verificado se a temperatura é maior que 30 °C e em caso afirmativo deve ser ligado a ventoinha e o respetivo LED. Senão estes devem estar desligados. Todos estes processos estão representados na Figura 16.
Figura 16: Função main()
A estufa foi idealizada a ter três modos de funcionamento, o processo de aquecimento, janela ideal e processo de arrefecimento. O processo de aquecimento ocorre quando se verifica uma temperatura inferior a 20 °C no interior da estufa. Este processo tem como objetivo aumentar a temperatura dentro da estufa para evitar que as pimentas-jalapenho estejam expostas a baixas temperaturas. Este modo de funcionamento está representado na Figura 17. Depois de alguns testes efetuados verificou-se que o aquecedor não apresenta o comportamento desejado, pelo que é demasiado lento a aquecer quando ativado ou, por vezes, a não aquecer, o que poderá levar à queda de flores das pimentas-jalapenho, pois estarão sujeitas a baixas temperaturas.
Figura 17: Processo de Aquecimento
O modo de funcionamento seguinte é o da temperatura na janela ideal, entre os 20 e 30 °C, presente na Figura 18. É dentro desta janela de temperatura que as pimenta-jalapenho crescem melhor. O principal objetivo do projeto é fazer com que a temperatura no interior da estufa esteja dentro destes valores para proporcionar as melhores condições possíveis para o crescimento das plantas.
Figura 18: Janela Ideal
Por fim o último modo de funcionamento é o processo de arrefecimento, ilustrado na Figura 19, que ocorre quando a temperatura no interior da estufa excede os 30 °C. Ao contrário do processo de aquecimento, este tem como objetivo a diminuição da temperatura no interior da estufa de forma a que as pimentas não estejam expostas a altas temperaturas, para prevenir a queda das flores devido a queimaduras proporcionadas pelas altas temperaturas. Com a conclusão de alguns testes percebeu-se que a ventoinha escolhida é um pouco pequena fazendo com que o fluxo de ar seja baixo, havendo assim uma lenta redução de temperatura.
Figura 19: Processo de Arrefecimento
A maioria das estapas foram concluídas com sucesso, nomeadamente, o condicionamento do sinal, ponte de Wheatstone e amplificador diferencial, para se efetuar a conversão AD e a ação dos atuadores dependendo do valor da temperatura. Porém, devido a alguns problemas e imprevistos, não foi possível montar uma estrutura, efetivamente, preparada para o cultivo da pimenta-jalapenho, uma vez que o circuito do protótipo não passou para uma PCB ou placa de circuito perfurada. No entanto, depois de alguns testes realizados, concluiu-se que a temperatura no interior da estufa é controlada como esperado quando existe alterações de temperatura graduais, porém, quando se verifica uma grande alteração da temperatura num curto intervalo de tempo, a resposta do sistema é um pouco lenta, o que pode causar danos às pimentas. Também se verificou que a unidade escolhida responsável pelo aquecimento da estufa aquece a um ritmo muito baixo o que pode fazer com que as pimentas-jalapenho estejam sujeitas a baixas temperaturas por tempo indesejado.
Para além da construção de uma PCB ou placa de circuito perfurada, existem outros pontos que devem ser melhorados no protótipo, nomeadamente, melhorar a resposta do sistema quando submetido a alterações de temperatura mais repentinas, bem como o processo de aquecimento. Para além disso, a introdução de um sistema de controlo da humidade do solo com sistema de rega automático, de um sistema de controlo da luminosidade no interior da estufa e a visualização dos valores da temperatura e humidade em tempo real dará mais valor ao projeto.
[1] Datasheet NTC 10k, https://www.vishay.com/docs/29049/ntcle100.pdf
[2] Datasheet ATmega328P, https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf