Projeto do Subsistema de Eletrônica/Energia

Subsistema de Eletrônica

1. Controlador (ESP32)

O controlador escolhido para o projeto foi a ESP32. Ela possui um processador dual-core de 240 MHz, o que oferece maior desempenho em aplicações multitarefa. A conectividade é um dos principais motivos para a sua escolha, já que tem um módulo Wi-Fi facilitando a comunicação sem fio. Além disso, a ESP32 oferece uma variedade módulos que poderiam ser usados no projeto. Como pinos GPIO, ADCs e PWM. Com seu baixo consumo de energia, ela se torna ideal para dispositivos móveis e alimentados por bateria.

Datasheet ESP32-DevKit

2. Motor

Para o controle da alimentação, será usado um motor ligado à um módule de reles. O motor tem com uma caixa de redução reta para se encaixar no projeto. As caracteristicas do motor são mostradas a seguir:

• Tensão de operação: 3 a 6V;
• Relação de transmissão: 1:48;
• Velocidade a 3V (sem carga): 100rpm;
• Corrente a 3V (sem carga): 60mA;
• Corrente a 3V (com carga): 260mA;
• Torque a 3V: 1.20 Kgf-cm;
• Velocidade a 6V (sem carga): 200rpm;
• Corrente a 6V (sem carga): 71mA;
• Corrente a 6V (com carga): 470mA;
• Torque a 6V: 1.92 Kgf-cm.

Uma imagem de referencia do motor pode ser vista nas imagens abaixo assim como uma referencia do tamanho do mesmo.

3. Bomba

Serão usadas mini bombas de água capazes de ciclar água. A função da bomba é de bombear água para dentro da tigele de água e ciclá-la de volta para o reservatório para reutilização. Juntamente com a bomba que fará a remoção da água no recipiente, teremos um filtro para remover impuresas no processo. As especificações da bomba são mostradas abaixo:

• Modelo: JT100;
• Voltagem adequada: DC 3 A 5V;
• Corrente em máxima eficiência: ~200mA;
• Elevação máxima: 1m;
• Vazão de água: ~1 a 1,5 l/min;
• Diâmetro da entrada: ~5,5mm;
• Diâmetro da saída: ~4,5mm;
• Dimensões (CxLxA): 43,5x23x30mm;
• Peso: 27g.

Como na parte de ciclagem da água teremos uma filtragem, precisamos calcular a queda de vazão da bomba devido ao filtro. A perda de carga é a redução da pressão no sistema causada pela resistência ao fluxo de água através do filtro. Isso afeta diretamente a vazão, pois a bomba precisa vencer essa resistência adicional para manter a mesma vazão.

O filtro usado no projeto é o mostrado na imagem abaixo, com um diametro de 8 mm. Como pode ser visto na imagem o filtro possui uma estrutura plástica e malha interna. Este tipo de filtro normalmente apresenta um coeficiente de perda \(K\) na faixa de 2 a 10, dependendo do design interno e do material.

1. Calculo da área da seção transversal do filtro

A área \(A\) para um tubo de diâmetro \(D = 8 \, \text{mm} = 0,008 \, \text{m}\) é:

\[ A = \frac{\pi D^2}{4} = \frac{\pi (0,008)^2}{4} \approx 5,03 \cdot 10^{-5} \, \text{m}^2. \]

2. Velocidade da água

Como a vazão máxima da bomba é de

\[ Q_{\text{máx}} = 1,5 \, \text{l/min} = 0,025 \ , \]

\[ \text{l/s} = 2,5 \cdot 10^{-5} \ , \]

\[ \text{m}^3/\text{s} , \]

A velocidade média \(v\) é:

\[ v = \frac{Q}{A} = \frac{2,5 \cdot 10^{-5}}{5,03 \cdot 10^{-5}} \approx 0,497 \, \text{m/s}. \]

3. Perda de carga no filtro

A perda pode ser calculado usando a formula de Darcy-Weisbach para perda localizada:

\[ \Delta P = K \cdot \frac{\rho \cdot v^2}{2} \]

Onde: * \(\Delta P\) é a perda de carga (em Pa ou psi),

• \(K\) é o coeficiente de perda localizada,

• \(\rho\) é a densidade do fluido,

• \(v\) é a velocidade do fluido.

Vamos usar o valor do coeficiente de carga de \(K = 5\) e usando a densidade da água como \(\rho = 1000 \, \text{kg/m}^3\). Substituímos os valores na equação temos:

\[ \Delta P = 5 \cdot \frac{1000 \cdot (0,497)^2}{2} = 5 \cdot 123,5 \approx 617,5 \, \text{Pa} \]

4. Pressão máxima gerada pela bomba

A pressão máxima gerada pela bomba pode ser obtida usando a altura máxima de elevação \(h\):

\[ P_{máx} = \rho \cdot g \cdot h \]

Substituindo os valores:

\[ P_{máx} = 1000 \cdot 9,8 \cdot 1 = 9800 \, \text{Pa} \]

5. Pressão disponível após o filtro

A pressão disponível será:

\[ P_{\text{disponível}} = P_{\text{máx}} - \Delta P = 9810 - 617,5 \approx 9192,5 \, \text{Pa}. \]

5. Vazão final ajustada

A relação entre vazão e pressão segue a fórmula:

\[ Q_{\text{final}} = Q_{\text{máx}} \cdot \sqrt{\frac{P_{\text{disponível}}}{P_{\text{máx}}}}. \]

Substituímos:

\[ Q_{\text{final}} = 0,025 \cdot \sqrt{\frac{9192,5}{9810}}. \]

\[ Q_{\text{final}} = 0,025 \cdot \sqrt{0,937} \approx 0,025 \cdot 0,968 \approx 0,0242 \, \text{l/s}. \]

Com o filtro de diâmetro de 8 mm, a vazão máxima ajustada seria aproximadamente 1,45 l/min. Isso mostra uma redução pequena devido à perda de carga do filtro.

4. Relé 3V

Rsaremos um módulo de reles para o controle e alimentação das bombas e do motor. O relé protege o ESP32 de sobrecargas elétricas, isolando os circuitos de alta potência.

5. Sensor Distância

Para o controle do nivel de ração no reservatório foi usado um sensor de distancia infravermelho. O sensor de distância infravermelho mede a proximidade de objetos com base na reflexão de luz infravermelha. Ele é preferido em algumas aplicações em relação ao sensor ultrassônico devido à sua maior velocidade de resposta, maior precisão em curtas distâncias e insensibilidade a ruídos acústicos.

6. Sensor Peso

Para o controle da quantidade de comida ofertado para o pet, foi usado um sensor de peso, como uma célula de carga. Esses sensores são amplamente utilizados em balanças eletrônicas, sistemas de automação e monitoramento de carga. A integração com o ESP32, permite leituras precisas e envio de dados para análises em tempo real.

7. Sensor Água

Para reconhecer o nivel de água do reservatório, foi usado um sensor de nivel capacitivo. Ele é vantajoso por não ter partes móveis, oferecendo maior durabilidade e resistência ao desgaste. Além disso, pode medir o nível sem contato direto com o líquido. Esses sensores são precisos, fáceis de integrar com microcontroladores como o ESP32. São amplamente usados em sistemas de automação e monitoramento de tanques.

Subsistema de Energia

Descrição do Subsistema Energia

Será dimensionado um sistema UPS (Uninterruptible Power Supply) para alimentar as cargas do projeto, esse sistema tem por característica a reduntância no fornecimento de energia. Em geral, há uma alimentação primária, que vem da própria rede de energia elétrica e será retificada para atender aos requisitos de tensão do circuito eletônico, e uma alimentação secundária, que será feita por backup de bateria.

Especificações dos Componentes Eletrônicos

A tabela abaixo lista as especificações dos componentes eletrônicos necessários para o sistema de potência, com os modelos e parâmetros que serão usados nos cálculos de energia.

Componente	Modelo	Qtd.	Tensão (V)	Corrente (A)	Potência (W)
Controlador	ESP32-CH340	1	5	0,3	1,5
Motor de Passo	28BYJ-48	1	5	0,5	2,5
Bomba	310 Motor pump	2	5	1,0	10,0
Sensor de Distância	GP2Y0A21YK0F	1	5	0,03	0,15
Sensor de Peso	HX711	1	5	0,015	0,075
Sensor de Nível de Água	Não especificado	1	5	0,002	0,01
-----------------------------	------------------	----------	----------------	------------------	------------------
Total				2,85	14,25

Cálculo de Potência

A partir das informações pode-se dimensionar os equipamentos para alimentar o sistema. Calculando a potência total esperada:

\[ \sum {Potência (W)} = 1,5 + 2,5 + (2 \cdot 5) + 0,15 + 0,075 + 0,01 \]

\[ \sum {Potência (W)} = 14,25 W \]

No cálculo de um Nobreak, é necessário estimar uma margem de segurança e o tempo de autonomia esperado. A margem de segurança a ser considerada será de 25%. Logo:

\[ Potência_{sistema} (W) = 14,25 W \cdot 1,25 \]

\[ Potência_{sistema} (W) = 17,85 W \]

1. Bateria

Para o dimensionamento da bateria, será considerado um tempo de autonomia de 1 hora, pois é tempo o suficiente para um ciclo de funcionamento do sistema e garante estabilidade durante falhas na rede que tenham uma duração mais longa.

\[ E_{Total} = 17,85 \cdot 1 \]

\[ E_{Total} = 17,85 Wh \]

Escolhendo uma bateria de 12V:

\[ Corrente= \frac{17,85}{12} \]

\[ Corrente= 1,5 Ah \]

Analisando as baterias comerciais disponíveis e as necessidades do projeto, optou-se pela bateria de lítio de 12V, 2200mah, o núcleo é o composto de células da marca Panasonic, modelo UR18650.

Imagem 1: Bateria de Lítio 12V, 2200mAh

2. Fonte de Alimentação

A fonte de alimentação será utilizada para converter corrente AC recebida da rede em corrente contínua CC.

Imagem 2: Fonte de Alimentação 12V, 2A

3. Conversor (Módulo Step Down)

Deve reduzir a tensão de 12V para um tensão compatível de 5V para os componentes eletrônicos.

Imagem 3: Módulo Step Down

4. Relé de Comutação

A função deste elemento é fazer a comutação entre a alimentação da fonte e a bateria, garantindo a autonomia do sistema nos casos de falha da rede.

Imagem 4: Relé de Comutação

Lista de materiais

A lista de materiais está relacionada abaixo, contendo os componentes eletrônicos e de energia importantes e seus elementos usados para compor o sistema de energia.

Componente	Quantidade	Descrição	Valor Unitário (R$)	Valor Total	[Link]
Controlador	1	5 V			Link
Motor de Passo	1	5 V			Link
Bomba	2	5 V			Link
Sensor de Distância	1	5 V			Link
Sensor de Peso	1	5 V			Link
Sensor de Nível de Água	1	5 V			Link
Bateria	1	12V	31,55	31,55	Link
Fonte de Alimentação	1	12V	24,99	24,99	Link
Módulo Step Down	1	DC/DC	29,99	29,99	Link
Relé de Comutação	1		29,00	29,00	Link

Diagrama Unifilar

Calculando a seção dos condutores usando o método da capacidade da corrente com base na NBR 5410:

Método de Instalação: E - cabo multipolar ao ar livre. Isolação: PVC

\[ I= \frac{P}{V} \]

\[ I= \frac{17,85}{5} \]

\[ I = 3,57 \]

Procurando na tabela 38 da norma NBR 5410:

Imagem 5: Tabela 38 ABNT NBR 5410

Imagem 6: Diagrama Unifilar

Tabela de versionamento

Versão	Data	Descrição	Responsável
1.0	03/05/2024	Documento inicial criado.	Pessoa X
2.0	20/11/2024	Lista de materiais	Davi M.
3.0	27/11/2024	Adição de descrições de componentes elétricos	Yaïsa Bhaggan
3.1	27/11/2024	Atualização de conteúdo	Yaïsa Bhaggan
3.2	27/11/2024	Correção da potência	Yaïsa Bhaggan
4.0	28/11/2024	Atualização da seção de energia	Yaïsa Bhaggan
4.1	28/11/2024	Atualização da seção de energia	Yaïsa Bhaggan
4.2	28/11/2024	Atualização da tabela na seção de energia	Yaïsa Bhaggan
5.0	29/11/2024	Revisão das equações da seção de energia	Ana Luísa
6.0	29/11/2024	Inclusão de diagrama unifilar	Ana Luísa
7.0	30/11/2024	Inclusão dos riscos de energia	Ana Luísa
8.0	10/01/2025	Atualização da tabela e das equações na seção de energia	Yaïsa Bhaggan