pontifÍcia universidade catÓlica do paranÁ...
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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO PARANÁ
ESCOLA POLITÉCNICA
CURSO DE ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO
ANDRÉ LUIZ LUPPI
GIACOMO JAREMIUK PASCHOAL
GUILHERME FELIPE DA SILVA
ENROLADOR DE MANGUEIRA AUTOMATIZADO
CURITIBA
17/06/2013
ANDRÉ LUIZ LUPPI
GIACOMO JAREMIUK PASCHOAL
GUILHERME FELIPE DA SILVA
ENROLADOR DE MANGUEIRA AUTOMATIZADO
Projeto apresentado como
requisito para o programa de
Aprendizagem em RPE, do Curso de Engenharia de Computação da
Pontifícia Universidade Católica do Paraná, sob a Orientação do
professor Afonso Ferreira Miguel.
CURITIBA
17/06/2013
INDICE DAS FIGURAS
Fig.1 – Desenho do suporte (SolidWorks)........................................................8
Fig.2 – Suporte.................................................................................................8
Fig.3 – Base de madeira...................................................................................9
Fig.4 – Embreagem magnética desmontada....................................................9
Fig.5 – Eixo fixado no platô..............................................................................10
Fig.6 – Mancais................................................................................................10
Fig.7 – Suporte Montado.................................................................................11
Fig.8 – Motor DC.............................................................................................11
Fig.9 – Polia do motor.....................................................................................12
Fig.10 – Estrutura pra guiar a mangueira........................................................12
Fig.11 – Sensor indutivo..................................................................................14
Fig.12 – Circuito montado para testes............................................................15
Fig.13 – Placa do circuito................................................................................15
Fig.14 – Enrolador de Mangueira....................................................................16
Fig.15 – Enrolador de Mangueira após pintura e acabamento........................17
Fig.16 – Fluxograma comportamental.............................................................18
1. INTRODUÇÃO
Algo muito irritante quando se está trabalhando com mangueiras de jardim, é
ter que enrola-las após o uso. Geralmente a mangueira está molhada e às vezes até
suja, sem contar a dificuldade em enrola-la sem torcê-la.
Como solução para essa dificuldade, existe no mercado enroladores manuais,
em que é usada uma manivela para girar uma bobina em que a mangueira fica
enrolada. Porém, este dispositivo exige que o usuário precise fazer força para girar tal
bobina, o que pode ser um trabalho árduo se a mangueira for grande e/ou estiver
cheia d’água.
Visando maior comodidade na hora de enrolar mangueiras de jardim, foi
desenvolvido um enrolador de mangueiras automatizado, de forma que o esforço feito
pelo usuário para enrolar a mangueira se reduza a um simples acionamento através
de um botão.
2. OBJETIVOS
2.1 GERAL
Desenvolver um projeto cuja a principal finalidade é controlar um
movimento mecânico.
2.2 ESPECÍFICOS
- enrolar uma mangueira de quintal de uma forma mais eficaz e rápida, através
de um motor elétrico.
- Acionar o motor através de um controle de radio frequência fixado na
extremidade da mangueira.
- Desligar o motor através de um sensor indutivo.
- Possibilitar o desenrolamento da mangueira de forma manual.
3. MATERIAIS UTILIZADOS
- Arduino MEGA
- 2 Reles 5V
- Receptor RF
- Controle de portão elétrico
- Placa de fibra de vidro 20x12 cm
- Embreagem magnética
- Sensor indutivo
- 3 resistores de 10k ohms
- madeira MDF
- Polia de alumínio 90mm
- correia tipo A
- Spray laranja e preto
- Mangueira
- 2 roldanas de plástico
- Motor DC
- Caixa metálica preta
- Suporte de metal
- Carretel de metal
- Fonte ATX
- Engate rápido para mangueira
- Cola para madeira
- 2 mancais para fixar o carretel
- Chave alavanca 2 posições
4. HISTÓRIA DO PROJETO
Como o objetivo geral do projeto era controlar um movimento mecânico,
procurou-se algo que fosse útil no cotidiano das pessoas. Após o grupo discutir
algumas ideias, o integrante Guilherme comentou que havia lavado sua calçada, e
teve certa dificuldade em enrolar e guardar a mangueira utilizada, então sugeriu fazer
um enrolador automatizado que fosse controlado por um controle fixado na
extremidade da mangueira, para evitar de ter que caminhar até o enrolador para
aciona-lo.
A ideia foi bem aceita pelo grupo, visto que não parecia ser algo tão complexo
de fazer. Após isso, pesquisou-se o estado da arte, e concluiu-se que nenhum dos
enroladores disponíveis do mercado possuía o acionamento por controle. Tal fato
motivou ainda mais a realização do projeto.
Após discutir-se sobre as ideias vinculadas ao enrolador, organizou-se um
plano de trabalho que foi entregue ao Professor Afonso Miguel, que seria o nosso
orientador de projeto.
4.1 MECÂNICA
Para a construção do enrolador automatizado, seria preciso um carretel onde
seria enrolado a mangueira, e um suporte para sustentar o carretel. Usou-se então o
Software SolidWorks para desenhar a estrutura e ter uma base de como ficaria o
projeto.
Fig. 1 – Desenho do suporte (SolidWorks)
Inicialmente pensou-se em fazer a estrutura de madeira, mas abandonou-se a
ideia pois um dos integrantes tinha como parente um torneiro mecânico, que poderia
ajudar na confecção da estrutura. Como o material seria metálico, foi utilizado a menor
quantidade de material possível, pois se não o suporte ficaria muito pesado. O suporte
pode ser visto na figura abaixo.
Fig. 2 - Suporte
Para a base do suporte, foi utilizado madeira MDF, como mostra a figura 3.
Fig.3 – Base de madeira
Após decidir o design do enrolador, começou-se a pensar no seu
funcionamento e em eventuais dificuldades. Apesar de pensarmos que o projeto não
seria complexo, uma das especificações citadas no plano de trabalho, em que o
enrolador funcionaria com o motor apenas para enrolar a mangueira, de forma que o
desenrolar seria manualmente, exigiu muita pesquisa. A princípio, o projeto funcionaria
com engrenagens, e teria uma alavanca de “trava e destrava” para desacoplar o
motor, e o carretel poder girar livremente. Então um dos integrantes teve a ideia de
usar o sistema de marchas de uma bicicleta e uma catraca, porém foi abandonada,
pois seria difícil sua utilização. Pensamos então na possibilidade de utilizar uma
embreagem de moto, e pesquisando sobre o assunto, descobriu-se uma embreagem
magnética que é usada no ar-condicionado dos automóveis. Essa embreagem possuí
uma polia, e dentro dela há uma bobina, que quando não magnetizada, a polia gira
livremente. A embreagem desmontada pode ser vista na figura 4.
Fig. 4 – Embreagem magnética desmontada
Então, o eixo do carretel foi fixado no platô da embreagem.
Fig. 5 – Eixo fixado no platô
Para a fixação do carretel no suporte, foram utilizados mancais, com buchas de
bronze no interior para funcionar como rolamento, como mostra na figura abaixo.
Fig. 6 - Mancais
O Suporte com o carretel e a embreagem devidamente montados pode ser
observado na figura abaixo.
Fig. 7 – Suporte montado
Para enrolar a mangueira, precisávamos de um motor que aguentasse puxar a
mangueira. Inicialmente pensou-se na utilização do motor usado no limpador de para-
brisas dos automóveis ou do motor usado em vidros elétricos dos mesmos. Porém, um
colega de turma, que não fazia parte do grupo do projeto, comentou que tinha um
motor DC em sua casa, e poderia emprestar. O motor seria mais que suficiente para
enrolar a mangueira, visto que era usado em rodas de trem, e possuía uma caixa de
redução, gerando bastante torque.
Fig.8 - Motor DC
Porém, teria que funcionar em conjunto com a embreagem mecânica. Como a
embreagem possuía uma polia, fixou-se no eixo do motor outra polia, de modo que
uma correia interligasse os dois sistemas.
Fig.9 - Polia do motor
Quando o motor funcionasse em conjunto com a embreagem, o carretel iria
enrolar a mangueira, mas não havíamos pensado em nenhum guia para auxiliar no
enrolamento. Construímos então uma estrutura separa de madeira, que possuía duas
roldanas de plástico para auxiliar a mangueira, e depois fixamos a estrutura no suporte
metálico, como mostra a figura abaixo.
Fig. 10 – Estrutura pra guiar a mangueira
4.2 HARDWARE
Ao pensar no funcionamento do projeto, viu-se a necessidade da utilização de
um microcontrolador, que por facilidade de uso foi escolhido o arduino. O arduino seria
a peça principal que controlaria tudo. Porém, como o motor e a embreagem magnética
a serem utilizados no projeto precisavam de uma tensão e corrente maiores do que
eram fornecidas pelo arduino, houve a necessidade da utilização de uma fonte ATX, e
de adaptar um rele ao sistema. Esse rele, seria ligado ao arduino, e controlaria tanto o
motor quanto a embreagem magnética.
Após decidido isso, pensamos em que modo enviaríamos o comando por
controle para o arduino. Inicialmente escolhemos por infravermelho, pois era algo
barato e de fácil adaptação para o arduino. Após realizados testes com um receptor
infravermelho e um controle, percebeu-se que o alcance do sinal era fraco, em torno
de 4 metros, e o receptor reconhecia o sinal apenas quando o controle estivesse
apontado diretamente para ele e sem obstáculos. Buscamos outras possibilidades, e a
mais viável foi por radiofrequência. Esse sistema é usado principalmente em portões
elétricos e alarmes de carro, tendo um alcance muito maior que infravermelho.
Portanto, o sinal seria enviado para o receptor RF por um controle de portão, o
receptor por sua vez mandaria o sinal para o arduino, que acionaria o motor e a
embreagem através do rele.
Feito isso, precisávamos de algo para desligar o motor quando a mangueira
enrolasse por completo. A principio pensamos em um botão de fim de curso, que
quando a mangueira apertasse, enviaria um sinal para o arduino, e o mesmo
desligaria o sistema. Porém, após algumas pesquisas, optou-se por um sensor
indutivo, que envia um sinal ao detectar objetos metálicos. Então, colocou-se um anel
metálico em uma das extremidades da mangueira, e quando o sensor detectasse o
anel, enviaria o sinal para o arduino, que desligaria tudo.
Fig.11 – Sensor indutivo
Para o arduino controlar todos esses comandos, desenvolveu-se um código
que tornaria possível a realização de todas as tarefas do sistema, mostrado abaixo.
int receptor = 11;
int receptor2 = 10;
int indutor = 12;
void setup(){
Serial.begin(9600);
Serial.println("Iniciado");
pinMode (7, OUTPUT);
pinMode (12 , INPUT);
pinMode (11, INPUT);
pinMode (10, INPUT);
pinMode (5, OUTPUT);
}
void loop(){
if (digitalRead(receptor) == HIGH){
Serial.println("Definindo porta 7 como HIGH");
digitalWrite(7, HIGH);
digitalWrite(5, HIGH);
}
if ((digitalRead(indutor) == HIGH) || (digitalRead(receptor2) == HIGH) ){
Serial.println("Definindo porta 7 como LOW");
digitalWrite(7,LOW);
digitalWrite(5, LOW);
}
}
Após o desenvolvimento do código, foram realizados testes juntamente com o
sensor indutivo, motor e a embreagem.
Fig. 12 – Circuito montado para testes
Como precisava-se de agrupar todos juntos no suporte, foi desenvolvida uma
placa de circuito, mostrado na figura abaixo.
Fig. 13 – Placa do circuito
5. DESCRIÇÃO GERAL
O Enrolador de Mangueira é constituído de um suporte metálico de
aproximadamente 45 cm de altura. A base desse suporte é feita de madeira. O carretel
onde a mangueira é enrolada está fixado no topo do suporte, com a ajuda de 2
mancais. No eixo do carretel, está fixada a embreagem magnética, que é conectada à
polia do motor através de uma correia.
Ainda no suporte, na parte da frente, está posicionado duas roldanas, de modo
a auxiliar no enrolamento da mangueira. Entre as duas roldanas encontra-se o sensor
indutivo para realizar o desligamento do sistema.
Na base do suporte, encontra-se uma caixa metálica, com todo o circuito do
projeto.
Fig. 14 – Enrolador de Mangueira
Fig.15 – Enrolador de Mangueira após pintura e acabamento
5.1 FUNCIONAMENTO
O sistema funcionará da seguinte maneira: No estado inicial o motor não estará
ligado ao carretel, de forma que este possa girar livremente, assim, o usuário
desenrolará a mangueira para o uso normalmente. Após o uso da mangueira, o
usuário pressiona o botão do controle localizado na ponta da mangueira, esse controle
envia um sinal para o modulo de comunicação sem fio (receptor de radiofrequência),
que por sua vez envia o comando para a plataforma Arduino, fazendo com que o
mesmo ative o motor e a embreagem magnética, girando o carretel e enrolando a
mangueira.
Por fim, quando o sensor indutivo detecta o anel metálico fixado na
extremidade da mangueira, este envia um sinal à plataforma Arduino solicitando o
desligamento do motor e da embreagem, de modo que o carretel possa girar
livremente. Como medida de segurança e maior praticidade, o motor também pode ser
desligado pelo controle, pressionando-se o segundo botão. Tal comportamento pode
ser verificado no fluxograma a seguir:
Fig.16 – Fluxograma comportamental
Aguarda acionamento
do botão
Aguarda utilizaçãoda mangueira
Envia sinal para módulo de
comunicação sem fio
Módulo de comunicação sem fio direciona sinal
para o Arduino
Arduino ativa o motor
Motor gira a bobina
Bobina começa a enrolar a
mangueira
O sensor detecta a chegada da ponta
da mangueira e envia um sinal ao
Arduino
Arduino desliga o motor e embreagem
Caso o usuário queira que a mangueira seja enrolada por completo, deve
apenas aguardar, caso contrário, deverá pressionar o botão para parar
Acionamento via chave liga/desliga
Desligamento da chave liga/desliga
5.2 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS
Tensão – 127 V
Corrente – 2,4 A
Velocidade de enrolamento – 0,49 m/s
6. PROBLEMAS ENCONTRADOS
Problemas encontrados Soluções
1° - Sistema para o carretel girar
independente do motor na hora de
desenrolar a mangueira.
Foi utilizado a embreagem
magnética do ar condicionado de
automóvel.
2° - Inicialmente foi usado
comando infravermelho, mas o
alcance era muito curto e falho.
Foi utilizado um receptor de
radiofrequência e um controle de
portão elétrico.
3° - Reles que eram controlados
pelo arduino não paravam de abrir
e fechar o circuito.
Foi colocado resistores pull-down
de 10k entre o sinal do receptor e o
arduino, e entre o sensor indutivo e
o arduino, de modo a garantir 0
(zero) quando não utilizados.
4° - Como desligar o motor ao
terminar de enrolar a mangueira.
Foi utilizado um sensor indutivo,
que quando detectasse um anel
metálico fixado na mangueira,
enviaria um sinal para o arduino, e
o mesmo desligaria o motor.
5° - Não deixar a mangueira
enrolar com nós.
Foi colocado duas roldanas na
parte da frente do suporte, para
guiar a mangueira e desfazer os
nós, caso existissem.
6° - Onde fixar o sensor indutivo
para que o mesmo detectasse o
anel metálico na extremidade da
mangueira.
Foi fixado entre as roldanas de
modo que a mangueira sempre
estivesse próxima do sensor.
7° - Ao ligar a fonte na tomada, o
motor funcionava por 2 segundos
antes de ser controlado pelo
Arduino, pois os reles que onde
estão ligados tanto a embreagem
quanto o motor, iniciam-se com o
circuito fechado.
O motor foi ligado a uma chave
alavanca, assim, ao ligar a fonte na
tomada, é preciso primeiro mudar a
posição da chave para o motor
funcionar.
7. CONCLUSÃO
Concluiu-se que para a realização de um projeto é preciso muita organização e
planejamento. A pesquisa é a parte mais importante e extensa de um projeto,
pois é através dela que pode se prever eventuais dificuldades e prevenir
possíveis erros na etapa de implementação.
O Projeto Enrolador de Mangueira foi de grande ajuda na aprendizagem dos
integrantes, trazendo conhecimentos na área de eletrônica e mecânica, e
também através dele, aplicou-se teorias aprendidas em sala.