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Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e Urbanismo
Departamento de Engenharia Elétrica
Giuliano Galhardi Motter
Colheita de Energia: Protótipo de um MóduloEnergeticamente Autônomo para Aplicações de
Instrumentação
Londrina2018
Universidade Estadual de Londrina
Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica
Giuliano Galhardi Motter
Colheita de Energia: Protótipo de um MóduloEnergeticamente Autônomo para Aplicações de
Instrumentação
Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Profª. Drª. MariaBernadete de Morais França intitulado “Colheita de Energia: Pro-tótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para Aplicaçõesde Instrumentação” e apresentado à Universidade Estadual de Lon-drina, como parte dos requisitos necessários para a obtenção do Tí-tulo de Bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Profª. Drª. Maria Bernadete de Morais França
Londrina2018
Ficha Catalográfica
Giuliano Galhardi Motter
Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para
Aplicações de Instrumentação - Londrina, 2018 - 73 p., 30 cm.
Orientador: Profª. Drª. Maria Bernadete de Morais França
1. Engenharia Elétrica. 2. Colheita de Energia. 3. Baixo Consumo. 4. Micro-
controlador. 5. Medidas Elétricas. 6.Sistemas Eletrônicos de Medida e Controle
I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II. Co-
lheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energeticamente Autônomo para
Aplicações de Instrumentação.
Giuliano Galhardi Motter
Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo
Energeticamente Autônomo para Aplicações de
Instrumentação
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,
como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharel
em Engenharia Elétrica.
Comissão Examinadora
Profª. Drª. Maria Bernadete de MoraisFrança
Universidade Estadual de LondrinaOrientador
Prof. Dr. José Alexandre de FrançaUniversidade Estadual de Londrina
Prof. Me. Giancarlo Michelino Gaeta LopesUniversidade Pitágoras Unopar
Londrina, 1 de fevereiro de 2018
Agradecimentos
Agradeço primeiramente a minha família, Adelar, Denise e Vittoria, os quais sempre
me deram forças, apoiaram e ajudaram a tomar decisões na minha vida. Sem vocês eu não
teria chegado a lugar nenhum.
Sou também muito grato aos meus avós José Antonio e Sublime, os quais sempre tor-
ceram e rezaram por mim e me servem de inspiração.
Agradeço a minha namorada e amiga, Isabela, pela compaixão nos momentos difíceis e
por me ajudar a recarregar as energias e também a tomar decisões durante períodos com-
plicados da minha vida acadêmica e também pessoal. Você tornou essa fase da minha vida
mais leve e mais bela.
Sou imensamente grato aos amigos de longa data João Cruciol, Daniel Lopes e Giovana
Souza. Amigos desde antes da época da faculdade e que espero levar para sempre. Vocês
foram indispensáveis em tornar a minha experiência universitária muito melhor.
Aos amigos de curso, mais especificamente ao grupo que apelidamos como "Galeri-
nha", vocês foram primordiais na minha caminhada. Eu com certeza teria desistido se não
fosse o apoio de vocês em momentos de dificuldade com disciplinas. Vocês podem não
saber o que fizeram por mim, ou o significado de suas ações e o quanto elas influenciaram
na minha vida, mas podem ter certeza que fizeram toda a diferença e eu os lembrarei para
sempre.
Aos irmãos que encontrei na Bateria Demônios da Lagoa. Vocês fizeram com que meus
últimos (e mais longos) anos da faculdade fossem infinitamente melhores. Foi a fase mais
difícil da faculdade, mas eu queria que durasse mais, por causa de vocês. Por cada ensaio,
por cada apresentação, por cada reunião, Muito Obrigado.
Aos colegas de banda, Tomy, Marcelo e Ruan, que ajudaram a tornar possível um sonho.
Eu vou poder dizer aos meus filhos que tinha uma banda que tocava nas festas da faculdade
graças a vocês. Espero que possamos continuar nosso projeto.
Aos técnicos de laboratório do DEEL Luis Carlos Mathias e Luiz Schmidt pelos incon-
táveis serviços prestados sempre de boa vontade. Nos meus cinco anos de UEL nunca se
negaram a ajudar, tirar dúvidas, propor ideias para resolver problemas.
Finalmente, agradeço a professora, amiga e orientadora, Maria Bernadete, por me dar
a oportunidade de trabalhar no laboratório LA2I durante mais de 1 ano, onde aprendi e me
desenvolvi não somente no âmbito da engenharia, mas também pessoalmente.
Motter, Giuliano Galhardi. Colheita de Energia: Protótipo de um Módulo Energetica-
mente Autônomo para Aplicações de Instrumentação. 2018. 73 p. Trabalho de Conclusão
de Curso em Engenharia Elétrica - Universidade Estadual de Londrina, Londrina.
ResumoCresce o número de sistemas utilizados para medição de grandezas físicas que tem apli-
cações que vão desde agricultura até biomedicina. Esse tipo de equipamento apresenta a
necessidade de autonomia energética, e com este intuito são implementadas técnicas de
colheita de energia. Este trabalho apresenta um estudo sobre colheita de energia e algu-
mas de suas técnicas tais como a colheita de energia solar, eólica, térmica e piezoelétrica.
Ademais, é proposta a implementação de um sistema autônomo energeticamente através
da colheita de energia fotovoltaica. O sistema desenvolvido é composto por uma placa de
controle e um microcontrolador, responsáveis por gerenciar a energia entre o painel solar
e a bateria do sistema. Os resultados obtidos comprovaram que o software desenvolvido é
eficiente energeticamente e também que a gestão da energia foi realizada de acordo com
o planejado.
Palavras-Chave: 1. Engenharia Elétrica. 2. Colheita de Energia. 3. Baixo Consumo. 4.
Microcontrolador. 5. Medidas Elétricas. 6.Sistemas Eletrônicos de Medida e Controle
Motter, Giuliano Galhardi. Energy Harvesting: Prototype of an Energetically Autono-
mous Module for Instrumentation Applications. 2018. 73 p. Monograph in Electrical
Engineering - Londrina State University, Londrina.
AbstractThe number of systems used to measure physical quantities that has applications ranging
from agriculture to biomedicine grows. This type of equipment presents the need for en-
ergy autonomy, and for this purpose energy harvesting techniques are implemented. This
paper presents a study on energy harvesting and some of its techniques such as solar, wind,
thermal and piezoelectric energy harvesting. In addition, it is proposed the implementa-
tion of an energetically autonomous system through the harvest of photovoltaic energy.
The developed system consists of a control board and a microcontroller, responsible for
managing the energy between the solar panel and the system battery. The obtained results
proved that the developed software is energy efficient and also that the energy manage-
ment was carried out according to the planned.
Key-words: 1. Electrical Engineering. 2. Energy Harvesting. 3. Low Power. 4. Microcon-
troller. 5. Electrical Measures. 6.Electronic Measurement and Control Systems
Lista de ilustrações
Figura 2.1 – Efeito Fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica. . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura 2.2 – Esquema interno de um TEG e seu equivalente elétrico. . . . . . . . . . . . . . 20
Figura 2.3 – Esquema ilustrativo de um gerador de corrente alternada. . . . . . . . . . . . 22
Figura 2.4 – Esquema de sistema utilizando PEH, e equivalente elétrico para um Ge-
rador Piezoelétrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura 2.5 – Curva genérica de carga de descarga de uma Bateria de NiMH. . . . . . . . . 26
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de Colheita de Energia Desenvolvido. . . . 28
Figura 3.2 – Painel Fotovoltaico utilizado como elemento conversor de energia do sis-
tema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Figura 3.3 – Pilha AA recarregável de NiMH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura 3.4 – Placa de desenvolvimento Stellaris LM4F120H5QR com seus principais
componentes e conectores ressaltados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura 3.5 – Conector para o Painel Solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Figura 3.6 – Chave lógica SW1, posicionada entre o painel solar e a bateria do sistema. 34
Figura 3.7 – Conector para a o elemento armazenador de energia do sistema. . . . . . . 34
Figura 3.8 – Regulador de tensão LP3961-5V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figura 3.9 – Conector USB fêmea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Figura 3.10–Chave lógica SW2, posicionada entre a saída do regulador de tensão e o
conector para a carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 3.11–Conector para a Carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Figura 3.12–Comparador de tensão COMP1, para Painel Fotovoltaico. . . . . . . . . . . . . 37
Figura 3.13–Comparador de tensão COMP2, para o conjunto de pilhas. . . . . . . . . . . . 38
Figura 3.14–Conector para Kit de Desenvolvimento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Figura 3.15–Característica do sensor de Temperatura Interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura 4.1 – Roteamento da placa de circuito impresso do sistema de controle desen-
volvida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Figura 4.2 – Simulação 3D da placa de circuito impresso do sistema de controle de-
senvolvida. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 4.3 – Placa de controle com todos os componentes soldados. . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 4.4 – Conjunto de 5 pilhas soldadas em série. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura 4.5 – Fluxograma da função Main() do software. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura 4.6 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do Painel Fotovol-
taico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura 4.7 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do conjunto de Pi-
lhas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura 4.8 – Fluxograma da interrupção do Timer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura 4.9 – Caixa desenvolvida como parte estrutural do sistema. . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 4.10–Caixa finalizada com todos os elementos do sistema conectados e funci-
onando no seu interior. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura 4.11–Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funci-
onamento para software por interrupções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Figura 4.12–Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funci-
onamento para software por pooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Figura 4.13–Comparação da temperatura interna do microcontrolador durante 10
minutos de funcionamento para software por interrupções (verde) e soft-
ware por pooling (azul). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Lista de tabelas
Tabela 1 – Lógica de acionamento das chaves baseado nos níveis de tensão no pai-
nel solar e baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Tabela 2 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto
utilizando software com método de interrupções. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Tabela 3 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto
utilizando software com método de pooling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Lista de Siglas e Abreviaturas
AC Alternate Current
ADC Analog-to-Digital Converters
AMPOP Amplificador Operacional
ARM Advanced RISC Machine
COMP Comparador
DC Direct Current
EEPROM Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory
EH Energy Harvesting
EODV End of Discharge Voltage
GPIO General-Purpose Input/Outputs
IDE Integrated development environment
LED Light Emitting Diode
MPPT Maximum Power Point Tracking
MPV Mid Point Voltage
NICD Níquel Cádmio
NIMH Níquel Metal Hidreto
NVIC Nested Vectored Interrupt Controller
PCI Placa de Circuito Impresso
PEH Piezoelectric Energy Harvesting
PTAT Proportional to Absolute Temperature
PVEH Photovoltaic Energy Harvesting
SW Switch
TEC Thermoelectric Coolers
TEG Thermoelectric Generators
TIM Timer
USB Universal Serial Bus
WEH Wind Energy Harvesting
Sumário
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 Organização do Trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1 Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Tipos de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.1 Colheita de Energia Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.2 Colheita de Energia Térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.3 Colheita de Energia Eólica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.4 Colheita de Energia Piezoelétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3 Os Sistemas de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Pilhas recarregáveis de Níquel Metal Hidreto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3 METODOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1 Proposta para um Sistema de Colheita de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2 Elemento Conversor de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Elemento Armazenador de Energia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.4 Sistema de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.1 Microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4.2 Placa de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.5 Algoritmo de Controle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6 Aplicação Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.7 Metodologia de Testes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.8 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.1 Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.3 Estrutura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.4 Resultados do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.5 Conclusão do Capítulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5 DISCUSSÕES E CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.1 Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
6 APÊNDICE A - CÓDIGO MAIN - MÉTODO DE INTERRUPÇÕES . . . . . . . 57
7 APÊNDICE B - CÓDIGO MAIN - MÉTODO DE POOLING . . . . . . . . . . . . 60
8 APÊNDICE C - CÓDIGO BIBLIOTECA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
9 APÊNDICE D - DADOS DE TEMPERATURA INTERNA DO MICROCON-
TROLADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
15
1 Introdução
Este trabalho propõe o projeto e implementação de um sistema autossuficiente ener-
geticamente para aplicações de instrumentação. Um sistema deste é baseado na colheita
de uma ou mais fontes de energia a fim de se manter ligado e operando, dedicado a uma
aplicação de instrumentação eletrônica, tal como a leitura de algum sensor ou o aciona-
mento de alguma carga. Nesse caso, a aplicação será a leitura de um sensor de temperatura
interno do microcontrolador e o registro dos dados em uma memória não volátil.
1.1 Motivação
Com o crescente domínio da natureza pelo homem, se tornou imprescindível em algu-
mas práticas inerente ao ser humano, tal como a agricultura, o constante controle e mo-
nitoramento de grandezas físicas, como umidade e temperatura do ambiente. O moni-
toramento desse tipo de dado está intimamente relacionado com o desenvolvimento de
equipamentos eletrônicos de instrumentação.
É muito comum que esse tipo de sistema fique operando por um longo período de
tempo, em locais isolados, relativamente distante da rede elétrica. Ambos esses fatos dei-
xam claro o desafio que existe quanto a escolha da fonte de energia a ser utilizada, e como
extrair o máximo da mesma.
É com esse intuito que o conceito de sistemas autônomos energeticamente está sendo
estudado, desenvolvido e aplicado em um número cada vez maior de tipos de equipamen-
tos e dispositivos. Normalmente, os sistemas autônomos são mantidos através de uma
bateria recarregável e trabalham com diversos conceitos de eficiência energética, tal como
o uso de componentes de baixo consumo ou a implementação de ciclos de trabalho, por
exemplo.
Com o objetivo de aumentar a autonomia das baterias, muita pesquisa tem sido feita
no campo da colheita de energia do meio ambiente (EH, do inglês Energy Harvesting). Este
ramo relativamente novo da ciência parte do princípio de que existem diversas formas de
energia disponíveis no ambiente, e que estas podem ser exploradas, sendo convertidas em
energia elétrica. As formas de energia que podem ser colhidas vão desde formas mais co-
nhecidas como por exemplo a energia solar e eólica, até métodos menos populares, como
a energia piezoelétrica, proveniente de vibrações mecânicas.
Este trabalho se propõe a desenvolver um sistema autossuficiente energeticamente atra-
vés da colheita de energia solar. O sistema proposto utilizará um kit de desenvolvimento
microcontrolado, uma placa de controle e aplicará conceitos de colheita de energia e efi-
ciência energética.
Capítulo 1. Introdução 16
1.2 Objetivos
Projetar e desenvolver um sistema autossuficiente energeticamente, através de concei-
tos de colheita de energia, para aplicações de instrumentação. A aplicação final que será
implementada para o sistema desenvolvido neste trabalho é a leitura do sensor de tem-
peratura interno ao microcontrolador e o registro dos dados em uma memória não vo-
látil, também interna. Além disso, o sistema conta com a possibilidade de acréscimo de
um sensor ou carga externo, que pode ser alimentado pela bateria e controlado pelo mi-
crocontrolador do sistema. O sistema será elaborado no kit de desenvolvimento Stellaris-
LM4F120XL, da Texas Instruments. Nesse caso, o microcontrolador será responsável pela
gestão do fluxo de energia entre a fonte de colheita e a bateria e também pela leitura do
sensor de temperatura e armazenamento dos dados em sua memória interna.
Além disso, é um objetivo do trabalho o estudo de sistemas de colheita de energia e
de alguns métodos específicos de colheita, tal como energia fotovoltaica, eólica, térmica e
piezoelétrica, a fim de analisar a sua viabilidade de implementação em protótipos similares
ao desenvolvido.
1.3 Objetivos Específicos
• Realizar estudo sobre diversas formas de colheita de energia.
• Projetar e implementar circuito para gerenciar o fluxo de energia entre painel foto-
voltaico e bateria.
• Desenvolver um software com máxima eficiência energética possível e comprovar a
sua eficiência.
• Realizar testes que comprovem o funcionamento do sistema.
1.4 Organização do Trabalho
Este trabalho de conclusão de curso será organizado na seguinte forma:
• Introdução: Apresenta a importância do desenvolvimento de sistemas autossufici-
entes energeticamente e as suas diversas aplicações que motivam o desenvolvimento
deste trabalho, além de apresentar a estrutura organizacional do trabalho.
• Fundamentação Teórica: Detalha a base teórica por trás da colheita de energia, tipos
de colheita de energia, os elementos e forma de operação de um sistema de colheita
de energia, bem como conceitos básicos sobre baterias de níquel metal hidreto.
Capítulo 1. Introdução 17
• Metodologia: Esta seção apresenta a proposta para o sistema desenvolvido, a justi-
ficativa pela escolha de cada equipamento ou método utilizado no desenvolvimento
do protótipo e também a metodologia de testes que foi implementada.
• Resultados: Expõe os resultados obtidos no âmbito de hardware, software e estru-
tura, além de expor o resultados dos testes realizados que comprovam o funciona-
mento do sistema e a eficiência energética do software desenvolvido.
• Conclusão: Discorre sobre quais objetivos foram alcançados e como projetam-se os
possíveis próximos passos para este projeto.
18
2 Fundamentação TeóricaNeste capítulo serão apresentados os conceitos de sistemas de colheita de energia, seus
elementos principais, alguns tipos de fontes de energia, modos de operação de sistemas de
EH e métodos de eficiência energética que podem ser implementados.
2.1 Colheita de Energia
Há energia em diversos lugares ao nosso redor nas mais variadas formas, na luz no sol,
no calor do sol, no movimento dos ventos, etc. A Colheita de Energia, explora estas formas
de energia disponíveis no meio ambiente, transformando-as em energia elétrica, que pode
ser utilizada em diversas aplicações.
Um sistema que utiliza a colheita de energia é aquele que retira toda ou parte da sua
energia do meio ambiente. A grande diferença entre a energia que está armazenada nas
baterias e a energia proveniente de fontes de EH é que a segunda é potencialmente infi-
nita, quando se leva em consideração todos os inúmeros tipos de energia que podem ser
explorados com as mais diversas técnicas de colheita. (KANSAL, A. et al, 2007).
Transformar outras formas de energia presentes no meio ambiente em energia elétrica
não é um conceito novo por si só, porém projetar e integrar de forma eficiente este tipo de
dispositivo de colheita em sistemas embarcados, de forma a atender as suas necessidades
energéticas, isso sim é um ramo de pesquisa novo e em ascensão. (RAGHUNATHAN, V. et
al, 2005).
Os sistemas que utilizam a EH como fonte de energia normalmente tem necessidade
de autonomia energética, seja por operarem por um período muito longo de tempo, seja
por estarem em locais isolados, distante da rede elétrica ou em situações em que o uso de
baterias não é o a melhor alternativa. Alguns exemplos de aplicações são estações mete-
orológicas implementadas no campo, radares de trânsito em estradas, sistemas com tec-
nologia Zig-Bee energyharvesting.net (2012). Além disso, outro exemplo de aplicação é a
tecnologia wearable (tecnologia em vestimentas), que contemplam tanto dispositivos com
finalidades de lazer ou estética, quanto dispositivos voltados a saúde.
Os seguintes artigos listados nas referências bibliográficas apresentam diversos exem-
plos de aplicações para a colheita de energia. O artigo de KISH, M. et al (2000), discorre
sobre a aplicação de colheita de energia térmica em relógios de pulso. O artigo de SPIES, P. ;
POLLAK , M. e ROHMER G (2007) fala sobre a utilização de colheita de energia térmica para
aplicações em dispositivos de telecomunicações. O artigo de LEONOV, v (2013) apresenta
um estudo sobre aplicação de colheita de energia térmica em roupas, e chega a conclusões
interessantes sobre os níveis de energia que podem ser extraídos em diferentes condições
de temperatura ambiente, tecidos de roupas e também da taxa metabólica de diferentes
indivíduos.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 19
Existem várias formas de colher energia do ambiente e esses diferentes tipos de fontes
de energia podem também ser classificados quanto a sua sazonalidade e controlabilidade.
Essas classificações serão apresentadas a seguir.
2.2 Tipos de Colheita de Energia
2.2.1 Colheita de Energia Solar
A colheita de energia solar, ou fotovoltaica (PVEH, do inglês Photovoltaic Energy Harves-
ting) é provavelmente a mais conhecida, e uma das que tem o maior número de aplicações,
que vão desde a sua utilização em usinas de geração de energia em grande escala, até apli-
cações de baixo consumo para sistemas embarcados. A geração de energia elétrica a partir
da energia da luz do sol é possível graças ao efeito fotovoltaico, que faz com que os elétrons
de um material se desprendam quando expostos a luz, gerando assim, um potencial elé-
trico (LAFAE - Laboratório de Fontes Alternativas de Energia, 2012). No caso, o material
mais utilizado é o silício, devido a sua abundância e alto rendimento (ABDELHALIM, Z,
2012). A Figura 2.1 ilustra o efeito fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica.
Figura 2.1 – Efeito Fotovoltaico em uma única célula fotovoltaica.
Fonte: (Almeida, P. M. de, 2011)
A energia solar pode ser classificada como uma fonte não controlável, porém previsível.
Isso porque não é possível extrair energia do painel fotovoltaico quando bem entender,
mas é possível prever o seu comportamento através de modelos que levam em conta a sua
posição, localização e dados meteorológicos, traçando um perfil de geração de energia.
(KANSAL, A. et al, 2007).
Quando comparados com demais tipos de colheita de energia, a energia fotovoltaica
se mostra bastante útil devido ao nível considerável de energia que pode ser extraída, já
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 20
que normalmente são utilizadas diversas células de silício em conjunto. Além disso, por
se tratar de uma fonte de energia previsível, facilita as condições de projeto, tal como o
dimensionamento da bateria, a fim de atender os requisitos do sistema.
2.2.2 Colheita de Energia Térmica
Assim como a energia fotovoltaica, a energia térmica também pode ser explorada tanto
para a geração de energia em grande escala, como no aquecimento de caldeiras em usi-
nas termoelétricas, quanto para aplicações de baixo consumo, em sistemas de colheita de
energia.
Na colheita de energia térmica para aplicações de baixa potência, existem dois tipos de
transdutores que podem ser utilizados: os geradores termoelétricos (TEG, do inglês Ther-
moelectric Generators) e os resfriadores termoelétricos (TEC, do inglês Thermoelectric Co-
olers). Os dispositivos TEC mais comuns utilizados são as pastilhas Peltier, já o elemento
TEG mais popular são as termopilhas. (NESARAJAH, M. e FREY, G, 2016).
A geração da energia elétrica a partir da energia térmica nos dispositivos TEC e TEG se
deve ao Efeito Seebeck, o qual postula que a aplicação de um gradiente de temperatura em
um material semicondutor leva a geração de um potencial elétrico nas suas extremidades.
Já a geração de energia térmica a partir da energia elétrica é descrita pelo efeito Peltier, que
diz que a passagem de uma corrente através de uma junção de dois elementos semicon-
dutores distintos provoca uma diferença de temperatura nas suas extremidades. O efeito
Peltier é comumente chamado de efeito Seebeck reverso, devido a dualidade entre ambos,
mas efetivamente, se tratam de dois fenômenos distintos. (BOLES, M. A. e CENGEL, Y. A,
2013). A Figura 2.2 apresenta a estrutura interna de um TEG, mostrando as junções dos
materiais semicondutores (junções termoelétricas) e o seu circuito elétrico equivalente.
Figura 2.2 – Esquema interno de um TEG e seu equivalente elétrico.
Fonte: Traduzido pelo Autor de: RAMADASS, Y. e CHANDRAKASAN, A (2011)
A grande diferença entre os elementos TEC e TEG é que o TEC tem seu funcionamento
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 21
baseado no efeito Peltier e é utilizado principalmente como resfriador, enquanto que o
TEG funciona de acordo com o efeito Seebeck e tem sua principal aplicação na geração
de energia elétrica de fato. Vale ressaltar que é possível gerar energia elétrica a partir de
uma pastilha Peltier, mas com rendimentos inferiores comparados aos obtidos no uso de
dispositivos TEG.
Como a fonte de calor utilizada na colheita de energia termoelétrica muda de um caso
para o outro, é difícil classificá-la de forma geral quanto a sua controlabilidade e previsi-
bilidade. Por exemplo, um sistema que utilize o calor excedente presente em uma cha-
miné, em uma fábrica, pode ser considerado controlável e previsível, pois é possível saber
quando e até quanto de energia estará disponível. Já um sistema que utilize a diferença de
temperatura entre o corpo humano e o ambiente para colher energia, é um sistema me-
nos controlável e previsível, devido a sua dependência com a temperatura ambiente, por
exemplo.
De forma geral, o aumento do uso da colheita de energia térmica se deve aos avanços
nas áreas de materiais e nanotecnologia (GOLDSMID, H. J. e NOLAS, G. S, 2002). Os ele-
mentos termoelétricos novos tem uma capacidade cada vez maior de gerar energia a partir
de diferenças de temperatura menores, tornando esse tipo de sistemas cada vez mais efi-
cientes e interessantes.
2.2.3 Colheita de Energia Eólica
A utilização da força dos ventos é também, um método bastante popular de geração de
energia elétrica. O número de usinas eólicas aumenta veemente, porém as pesquisas tem
seu foco maior nas grandes turbinas, ao passo que a colheita de energia eólica (WEH, do
ingles Wind Energy Harvesting), para aplicações de baixo consumo, não é muito explorada
ou discutida.
A geração da energia eólica acontece devido ao movimento das pás de uma hélice, cujo
eixo está anexado ao eixo de um gerador elétrico. Uma característica que diferencia a WEH
dos demais métodos sitados até agora é que este gera corrente alternada (CA) em sua saída.
Isso se deve a forma física como os geradores funcionam, ou seja, a rotação contínua de
espiras metálicas (rotor) dentro do estator de um gerador altera seu fluxo magnético cons-
tantemente, fazendo aparecer a corrente alternada. Este processo é descrito pela Lei de
Faraday (UMANS, S. D, 2014). A Figura 2.3 apresenta um esquema de um gerador de cor-
rente alternada, onde é possível ver os pólos magnéticos Norte e Sul, que fazem referência
ao estator do gerador, e uma espira, representando o enrolamento do rotor.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 22
Figura 2.3 – Esquema ilustrativo de um gerador de corrente alternada.
Fonte: Autor Desconhecido
O fato de a WEH gerar energia AC é um complicante devido a necessidade de retifi-
cação dessa forma de onda para sua utilização em circuitos de eletrônica. Esse processo
de transformação da corrente de alternada para contínua se mostra desafiador quando se
leva em conta que a quantidade de energia gerada não é tão alta, e que retificadores a diodo
provocam uma queda de tensão bastante significativa.
A dificuldade de conversão ac-dc de forma eficiente com o uso de retificadores comuns
a diodo leva a necessidade de implementação circuitos tal como retificadores ativos com
MOSFET. Esses retificadores dissipam muito menos potência do que os que utilizam dio-
dos, porém essa abordagem também apresenta problemas. Para certos níveis específicos
de tensão, a entrada dos retificadores a MOSFET se mostram instáveis, fazendo a saída os-
cilar, diminuindo drasticamente a sua eficiência. (TAN, Y. K. e PANDA S. K, 2011)
A WEH pode ser classificada como incontrolável, pois não é possível escolher quando
gerar energia, e parcialmente previsível, porque apesar de ser possível traçar um perfil dos
ventos em certo ambiente, este parâmetro é muito incerto e depende de inúmeros outros
fatores. Por todos esses motivos esse método não é amplamente utilizado em aplicações
reais.
2.2.4 Colheita de Energia Piezoelétrica
Destoando das formas de geração de energia supracitadas, a colheita de energia pie-
zoelétrica (PEH, do ingles Piezoelectric Energy Harvesting) não é utilizada para geração de
energia em grande escala em usinas ou similares. Este fato se deve a baixa quantidade de
energia produzida em comparação a outros métodos e também a característica das fontes
de vibrações exploradas.
Esta forma de EH tem seu fundamento no fenômeno da Piezoeletricidade, o qual pro-
põe que certos materiais (tais como materiais cristalinos e alguns tecidos biológicos) tem
a capacidade de gerar potencial elétrico, quando submetidos a estresses mecânicos. Este
efeito pode ser entendido como uma relação linear entre o estado mecânico e elétrico do
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 23
material. O efeito piezoelétrico é reversível, ou seja, a transformação de energia pode ocor-
rer no outro sentido também, isso quer dizer que é possível gerar energia de vibração (me-
cânica) a partir da aplicação de um potencial elétrico no material. Essa aplicação reversa é
bastante utilizada em circuitos de eletrônica como osciladores, para gerar o clock que rege
o funcionamento dos sistemas. (CALLISTER, W. D, 2000).
A PEH é bastante utilizada em aplicações biomédicas tais como implantes e próteses.
Essa é a forma de EH mais atraente para este tipo de situação pois dentro de um indiví-
duo não há a possibilidade de se explorar colheita de energia solar ou eólica por exemplo.
Em contra partida, um ser humano está em contante exposição a inúmeras formas de ra-
diação tal como a ultravioleta ou a radio frequência, que servem como excitadores para
os transdutores piezoelétricos, gerando energia elétrica. Alguns exemplos são sensores de
monitoramento de pressão intra-ocular ou sensor de monitoramento de glicose sub cu-
tâneo. A Figura 2.4 apresenta um exemplo de aplicação biomédica de um sistema PEH e
um esquema mecânico e elétrico equivalente de um gerador piezoelétrico. (CHEN, Z. et al,
2007).
Figura 2.4 – Esquema de sistema utilizando PEH, e equivalente elétrico para um GeradorPiezoelétrico.
Fonte: (CHEN, Z. ; LAW, M. ; MAK, P. ; KI, W. e MARTINS, R, 2017)
Este tipo de fonte de colheita pode ser classificada como incontrolável, pois não é pos-
sível extrair energia quando desejado e além disso, é uma fonte de energia imprevisível,
devido ao alto grau de dificuldade para traçar o padrão vibracional de um ambiente.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 24
2.3 Os Sistemas de Colheita de Energia
Um sistema de colheita de energia é normalmente composto por quatro elementos,
uma fonte de energia tal como as exemplificadas previamente, um dispositivo conversor,
que pode ser um elemento piezoelétrico, termo gerador ou painel solar, por exemplo, um
sistema de controle, que é responsável pela gerência da energia entre a fonte, elemento
armazenador e aplicação final, e por último, todo sistema tem uma aplicação final, como
os diversos exemplos já listados. (energyharvesting.net, 2012).
Um sistema de controle de colheita de energia trabalha para aumentar a vida útil ou
tempo de utilização de um sistema e para fazer isso é necessário reduzir o consumo ener-
gético total. No entanto isso tem de ser feito sem esquecer as especificações do sistema,
tal como níveis mínimos de tensão e corrente necessários para funcionamento ou período
total o qual o sistema precisará operar. Um sistema de controle destes pode ser micro-
controlado ou não, dependendo de fatores tais como a dimensão do equipamento e a sua
complexidade.
É com o intuito de aumentar o tempo de utilização de um equipamento que as técnicas
de colheita de energia são utilizadas. A fontes de energia exploradas podem ser utilizadas
de duas formas: para aumentar a vida útil dos elementos armazenadores de energia do
sistema, recarregando-os, ou como a única fonte de energia do sistema, colhendo energia
na mesma taxa (ou em uma taxa maior) a qual ela é consumida, tornando teoricamente
desnecessário o uso de elementos armazenadores. Este modo de operação é chamado de
operação de fluxo-neutro de energia, que é quando o nível de energia consumida é sempre
menor do que a produzida.(KANSAL, A. et al, 2007).
Em um sistema operando em fluxo-neutro a preocupação deixa de ser aumentar a vida
útil do sistema, uma vez que essa seria hipoteticamente infinita, e passa a ser as caracte-
rísticas máximas de performance que podem ser sustentadas, baseado na quantidade de
energia apanhada do ambiente. Nesse sentido fica evidente que aumentar a quantidade
de energia colhida faz com que o sistema possa consumir mais. Com este intuito, projetar
um sistema onde a mínima energia colhida em qualquer instante de tempo é maior que
a máxima energia consumida pelo sistema seria um cenário ideal, porém em muitas oca-
siões, utópico. É para ajudar nesse sentido que os sistemas de controle são utilizados, a
fim de gerenciar o fluxo de energia entre fonte, elemento armazenador e aplicação final,
atendendo assim, aos requisitos do sistema. (KANSAL, A. et al, 2007).
Uma das formas de reduzir o consumo energético de um sistema é através do uso de
ciclos de trabalho, fazendo o sistema realizar as suas ações, como por exemplo a medição
de sensores ou o envio de dados, e após isso entrar em hibernação ou ficar em stand-by.
Outro meio de aumentar a eficiência energética de um sistema é através do uso de compo-
nentes de baixo consumo. Um outro método é através do desenvolvimento de um software
de baixo consumo, que pode ser obtido através de técnicas de eficiência energética de sis-
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 25
temas embarcados, as quais preconizam a utilização de interrupções em detrimento de
técnicas de pooling, ou a utilização de um clock mais reduzido, por exemplo.
Além de diminuir o consumo, é possível atender aos requisitos do sistema aumentando
a quantidade de energia retirada do ambiente. Isso pode ser feito a partir da implemen-
tação de diversos métodos de colheita em um mesmo sistema, aproveitando fontes dife-
rentes de energia. Um mesmo sistema pode contar com elementos de EH solar e térmico,
por exemplo. Ao mesmo tempo, existem técnicas para aumentar a eficiência da coleta de
energia que podem ser aplicadas a cada método individualmente, tal como o rastreamento
do ponto de potência máxima (MPPT, do inglês Maximum Power Point Tracking).
A forma como o MPPT é implementado muda de um método de colheita para outro.
O MPPT de um PVEH está relacionado com os parâmetros de incidência solar, então para
aumentar a potência gerada por um painel solar é necessário movê-lo de forma a "seguir"o
sol durante um dia. Já para sistemas TEH, a quantidade de energia gerada é proporcional
à diferença de temperatura entre as faces do dispositivo, crescendo linearmente até um
certo ponto, e então diminuindo. Nesse caso, a implementação do MPPT deve fazer com
que a diferença de temperatura seja mantida no seu ponto ótimo. Outro exemplo é a im-
plementação de um MPPT para WEH, o qual deve fazer com que o vento incida sempre de
forma normal (90 graus) a hélice geradora.
2.4 Pilhas recarregáveis de Níquel Metal Hidreto
As pilhas NiMH (Níquel Metal Hidreto) vem se popularizando devido a sua alta den-
sidade de energia e ao seu apelo ambiental, pois os metais utilizados na sua fabricação
não são tóxicos. Em ambos esses aspectos as baterias de NiMH são melhores do que a sua
precursora e concorrente, as baterias de Níquel Cádmio, NiCd.
O comportamento de carga e descarga de uma célula de NiMH pode ser observado mais
facilmente na curva de carga e descarga, conforme a apresentado na Figura 2.5. Nessa
curva, o ponto MPV (do inglês Mid-Point Voltage), é a tensão nominal da célula, nesse caso
1,2 V. Já o ponto EODV (do inglês End of Discharge Voltage, é a tensão na qual a célula pode
ser considerada descarregada, para baterias de NiMH isso ocorre em torno de 900 mV e 1
V.
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 26
Figura 2.5 – Curva genérica de carga de descarga de uma Bateria de NiMH.
Fonte: (SIMPSON, C, 2011)
Esta curva de carga varia de acordo com a temperatura local e também de uma célula
para a outra. Em temperaturas elevadas (> 40◦C), a bateria de NiMH tem sua capacidade
de fornecimento de corrente reduzida e torna-se mais difícil realizar uma carga completa
na mesma. (SIMPSON, C, 2011).
A carga de baterias como essas é feita a partir da aplicação de uma tensão maior que seu
valor nominal em cima dos seus terminais. Existe mais de um método de carregar baterias
de NiMH. A carga pode ser rápida ou lenta, dependendo da intensidade da corrente que é
injetada nas células.
A carga lenta é aquela que aplica uma corrente mais baixa, tal que possa ser aplicada
constantemente, sem danificar a célula, dessa forma dispensando o controle mais rigoroso
durante o processo de carga. A corrente que é considerada como carregamento lento deve
ser na taxa de décimos da capacidade de corrente nominal da célula, ou seja, no caso de
uma capacidade nominal de 3000 mAh (um valor comum), uma carga lenta deve aplicar
em torno de 100 mA a 300 mA. As taxas de corrente variam de célula para célula, ou seja,
pilhas de NiCd aceitam correntes 1/10 da sua taxa nominal, enquanto que para as células
de NiMH esse valor deve ser ainda menor, por volta de 1/30 ou 1/40. Essa diferença ocorre
por fatores químicos e estruturais internos a cada tipo de bateria e implicam em um tempo
maior ou menor até a carga total.
A carga rápida aplica a capacidade completa da bateria, que no caso de uma célula de
3000 mAh, a corrente aplicada seria os próprios 3000 mA, ou 3 A. A carga rápida é conside-
rada menos segura, pois faz a temperatura das células aumentarem muito, e por isso exige
um controle mais rigoroso para evitar acidentes.
Existem algumas práticas de mau uso que podem acarretar em danos nas células de
carga. O erro mais comum é a sobrecarga excessiva, que ocorre quando uma corrente re-
lativamente grande é forçada célula a dentro, mesmo após ela já estar carregada. Outro
problema é a reversão de polaridade. Esse fenômeno ocorre principalmente em arranjos
de pilhas em série, durante o processo de descarga, a primeira célula a descarregar com-
pletamente terá corrente forçada através de si pelas demais unidades do conjunto, e nesse
Capítulo 2. Fundamentação Teórica 27
instante, a sua polaridade estará reversa. Ambas situações fazem com que a corrente em
abundância, ou a corrente reversa, seja dissipada na forma de calor, podendo culminar até
em uma explosão da célula. (SIMPSON, C, 2011).
2.5 Conclusão do Capítulo
O avanço nas tecnologias de materiais e a incessante busca pelo uso mais eficiente da
energia em sistemas embarcados culminam no uso cada vez maior de diversas técnicas de
EH.
Os sistemas de EH são compostos por 4 componentes, sendo o sistema de controle o
maior responsável pelo controle do fluxo energético do sistema e aplicações dos métodos
de eficiência energética, tais como ciclos de tarefa, hibernação ou MPPT.
28
3 MetodologiaNessa seção será apresentado as etapas do desenvolvimento do projeto. A descrição e
motivação do uso dos devidos materiais, equipamentos e técnicas de implementação. A
apresentação do sistema desenvolvido será distribuída de acordo com os elementos que
compõe um sistema de colheita de energia, a fonte de energia, dispositivo conversor, sis-
tema de controle e a aplicação final.
3.1 Proposta para um Sistema de Colheita de Energia
O sistema de colheita de energia proposto neste trabalho tem como objetivo principal
ser auto-suficiente energeticamente. A fonte de energia do sistema é a colheita de energia
fotovoltaica (PVEH), o elemento conversor é um painel foto voltaico de 1W de potência,
o elemento armazenador de energia é um conjunto de 5 pilhas AA de NiMH recarregá-
veis conectadas em série, o sistema de controle é microcontrolado, implementado parte
em um kit de desenvolvimento cujo microcontrolador utiliza arquitetura ARM (Advanced
RISC Machine, do inglês) e parte em uma placa de circuito impresso separada. A aplicação
final primária é a leitura do sensor de temperatura interno ao microcontrolador e o arma-
zenamento desses dados de temperatura em uma memória EEPROM, também interna ao
chip do microcontrolador. A Figura 3.1 apresenta um diagrama de blocos do sistema, onde
é possível visualizar mais facilmente a descrição do sistema.
Figura 3.1 – Diagrama de blocos do sistema de Colheita de Energia Desenvolvido.
Fonte: O Autor
Na Figura 3.1, os blocos chamados de C o mp 1 e C o mp 2 são os comparadores imple-
mentados com amplificadores operacionais, e os símbolos chamados de SW 1 e SW 2 são
os Switches, ou chaves lógicas, implementadas com transistores. Além disso, vale ressal-
Capítulo 3. Metodologia 29
tar que as 5 pilhas em conjunto são denominadas como a Bateria do sistema, conforme
também indicado na Figura 3.1.
O sistema conta também com a possibilidade de expansão, com o acréscimo de mais
um sensor externo, no que é chamado de Terminal para Carga, na Figura 3.1. Este terminal
é composto por 3 pinos, 5 V, G N D e um pino que está conectado diretamente ao kit de
desenvolvimento. Isso abre a possibilidade da implementação de novas funcionalidades
ao módulo, fazendo com que a aplicação final passe a ser, além da leitura do sensor de
temperatura interno, a leitura de mais um sensor, ou acionamento de alguma carga, por
isso a seta que une este bloco com o Microcontrolador é bidirecional.
3.2 Elemento Conversor de Energia
Como o sistema utilizará a PVEH como fonte de energia, é natural que o elemento con-
versor de energia seja um painel fotovoltaico. O painel escolhido está apresentado na Fi-
gura 3.2.
Figura 3.2 – Painel Fotovoltaico utilizado como elemento conversor de energia do sistema.
Fonte: O Autor
As características elétricas do painel são conforme segue:
• Tensão de circuito aberto: Vo p e n c i r c ui t = 11 V;
• Corrente de curto circuito: Is ho r t c i r c ui t = 0,12 A;
• Potência de pico: Pp e a k = 1 W;
A escolha deste painel se deu devido ao fato de que as suas características elétricas aten-
diam as necessidades de projeto, ou seja, o painel conseguia extrair energia suficiente do
Capítulo 3. Metodologia 30
ambiente para recarregar a bateria do sistema. Além disso, o painel se tornou ainda mais
atraente por ser compacto, com seus 15 cm de comprimento e 8,5 cm de largura.
As especificações de tensão de circuito aberto e corrente de curto circuito são as carac-
terísticas máximas do painel, ou seja, a tensão máxima que este painel fotovoltaico poderá
fornecer é 11 V, e a corrente do mesmo nunca ultrapassará 120 mA. Essas características
são importantes e devem ser levadas em conta para o projeto dos demais elementos do
circuito.
3.3 Elemento Armazenador de Energia
Conforme já apresentado anteriormente, os elementos armazenadores de energia são
de extrema importância em um sistema de EH. Esses elementos podem ser super capacito-
res, baterias ou pilhas. A utilização de fontes de energia não controláveis e/ou não previsí-
veis deixa claro a necessidade do uso de elementos armazenadores, para que os requisitos
do sistema sejam atendidos durante todo o seu período de funcionamento. É evidente que
essas baterias tem de ser recarregáveis, pois estarão em constante processo de carga e des-
carga.
Foi definido que o elemento armazenador de energia do sistema de EH desenvolvido
nesse trabalho seriam 5 pilhas de NiMH conectadas em série. As pilhas de NiMH foram
escolhidas graças a sua popularidade e facilidade de acesso. Cada uma dessas pilhas tem
tensão nominal de 1,2 V e capacidade de corrente de 3000 mAh. Apresentar uma tensão
nominal de 1,2 V quer dizer que durante um ciclo de carga e descarga, a tensão de cada
célula permanece em torno de 1,2 V na maior parte do tempo. Quando completamente
carregada, cada célula chega até a 1,5 V, e quando completamente descarregada ficam em
torno de 1 V. A Figura 3.3 mostra as pilhas que foram utilizadas.
A escolha de serem usadas 5 pilhas em série foi tomada graças a um requisito do sis-
tema, a necessidade de se ter 5 V presente para alimentação do sistema de controle. Caso
fossem utilizadas 4 células de NiMH, que é um número mais comum, esse requisito seria
atendido apenas quando todas as baterias estivessem no início da sua curva de descarga,
ou seja, completamente carregadas. Quando as células estivessem em sua tensão nominal,
a tensão total fornecida pelo elemento armazenador seria 4,8 V, que seria insuficiente.
Uma característica da bateria NiMH que pode ser considerada uma desvantagem mas
que na aplicação de EH é uma vantagem é que a sua vida útil é estendida caso sejam fei-
tas cargas e descargas parciais ao invés de totais. Esse é um aspecto importante, pois na
aplicação de EH, a bateria será recarregada constantemente quando na disponibilidade de
energia proveniente das fontes de colheita. Outra vantagem das baterias NiMH em rela-
ção as de NICd é o seu menor efeito de memória, o qual é popularmente conhecido como
"bateria viciada".(sta-eletronica, ).
Capítulo 3. Metodologia 31
Figura 3.3 – Pilha AA recarregável de NiMH
Fonte: O Autor
Além disso, é possível fazer uma lógica de circuito em hardware para identificar quando
o conjunto de pilhas estiver descarregado, a partir da tensão de cada célula quando com-
pletamente descarregada. Como no caso serão utilizadas 5 células em série, quando a ten-
são do conjunto for 6 V, sabe-se que o mesmo está completamente carregado, já quando
a medida de tensão do conjunto for em torno de 4 V, é constatada a descarga completa, e
então as devidas ações devem ser tomadas.
3.4 Sistema de Controle
O sistema de controle de um módulo de colheita de energia é responsável pela gestão da
energia do sistema como um todo, controlando o fluxo energético entre a fonte de coleta,
elemento armazenador e a aplicação final.
No caso do trabalho desenvolvido o sistema de controle será composto por um mi-
crocontrolador e uma placa de circuito impresso para auxílio do controle. Ambos estes
elementos serão apresentados a seguir.
3.4.1 Microcontrolador
Para o desenvolvimento de sistemas microcontrolados uma boa alternativa é o uso de
kits de desenvolvimento, pois eles possibilitam a prototipagem prática e rápida. O kit de
desenvolvimento Stellaris EK-LM4F120XL é um kit da fabricante Texas Instruments, que
usa o microcontrolador LM4F120H5QR. Este kit foi escolhido por ser um microcontrola-
dor de baixo consumo, que é um requisito para este tipo de sistema onde tudo gira em
torno da eficiência energética, além de que o acesso ao mesmo foi facilitado devido a sua
Capítulo 3. Metodologia 32
disponibilidade no laboratório onde o trabalho foi desenvolvido. A Figura 3.4 exibe a placa
de desenvolvimento e exalta seus principais elementos.
Figura 3.4 – Placa de desenvolvimento Stellaris LM4F120H5QR com seus principais com-ponentes e conectores ressaltados.
Fonte: O Autor
A alimentação do kit será feita a partir do conector USB Device, ligado na saída do re-
gulador de tensão, conforme apresentado na Figura 3.1, fornecendo uma alimentação de
5 V. O kit terá algumas funções nessa aplicação, que são:
• O controle das chaves lógicas SW1 e SW2: Essas chaves conectam o Painel Solar à
Bateria e o Regulador de Tensão ao Terminal para Carga, respectivamente.
• A leitura dos comparadores Comp1 e Comp2: Estes monitoram constantemente se
o nível de tensão do Painel Solar ou da Bateria, respectivamente, caíram a baixo de
uma referência pré determinada, gerando um sinal digital de aviso para o Microcon-
trolador.
• Medida dos sensores da aplicação final: Nesse caso o microcontrolador é também
responsável por fazer a leitura do sensor de temperatura e armazenar os dados na
sua memória interna.
3.4.2 Placa de Controle
A placa de controle é onde será implementada a parte do sistema de controle externa
ao kit de desenvolvimento, tal como chaves lógicas a transistor, comparadores com ampli-
ficadores operacionais, regulador de tensão e também a união do sistema como um todo,
Capítulo 3. Metodologia 33
a partir de conectores para o painel solar, bateria e kit de desenvolvimento. A seguir serão
apresentados os elementos de circuito que compõe a placa de controle.
Primeiramente, o conector do painel solar, que é apresentado na Figura 3.5 e é com-
posto por uma barra de pino onde os terminais do painel solar serão ligados e uma topolo-
gia simples de fonte de tensão regulada, composta pelos componentes R1, Z1 e Q5. A saída
desta fonte de tensão controlada é chamada de Z E N E R 1, conforme indicado na imagem.
Nesse caso o resistor tem função de limitar a corrente, o diodo zener polarizado inversa-
mente tem a função de grampear o nível de tensão em 6,8V. Isso deve ser feito para que não
seja ultrapassado o limite de tensão máxima que será utilizado para carregar as pilhas. O
transistor Q5 faz com que a corrente gasta para polarizar o diodo zener seja compensada,
fornecendo um ganho de corrente. O diodo D2 é utilizado como dispositivo de segurança,
evitando a injeção de corrente contra o painel. Além disso, há uma saída indicada na Figura
3.5 como C O M P _PAI N E L , este ponto do circuito será utilizado em um dos comparado-
res da placa de controle, para gerar um sinal digital caso o painel fotovoltaico passe a gerar
energia a baixo de um certo nível, isso será detalhado mais a diante.
Figura 3.5 – Conector para o Painel Solar.
Fonte: O Autor
A seguir, a primeira das duas chaves lógicas do circuito é apresentada na Figura 3.6.
Esta chave é responsável por conectar ou desconectar os pontos Z E N E R 1 e P I LH A do
circuito. A topologia desta chave lógica conta com um transistor PNP e um NPN, Q2 e Q1
respectivamente, e três resistores cuja função é polarizar corretamente os transistores. O
sinal P I N 1 indicado na Figura 3.6 é responsável pelo acionamento (abertura ou fecha-
mento) da chave 1 e é proveniente do kit de desenvolvimento. Caso P I N 1 esteja em nível
lógico alto, Q1 estará em saturação, e portanto isso faz com que a base de Q2 passe a es-
tar aterrada e portanto o ponto Z E N E R 1 do circuito também estará aterrado, e então o
circuito será como uma chave aberta, não dando continuidade entre Z E N E R 1 e P I LH A.
De forma complementar, caso P I N 1 esteja em nível lógico baixo, é como se Q1 não tivesse
influência no circuito, dessa forma Q2 estará saturado, conectando Z E N E R 1 e P I LH A.
Os resistores R4, R5 e R6 funcionam como limitadores de corrente. (Semiconductor Com-
ponents Industries, 2013)
Capítulo 3. Metodologia 34
Figura 3.6 – Chave lógica SW1, posicionada entre o painel solar e a bateria do sistema.
Fonte: O Autor
Dando continuidade, o conector do elemento armazenador de energia do sistema, con-
forme indicado na Figura 3.7, que se trata de uma simples barra de pinos com 2 conectores
para os terminais do conjunto de pilhas.
Figura 3.7 – Conector para a o elemento armazenador de energia do sistema.
Fonte: O Autor
O próximo elemento da placa é o regulador de tensão, tal como mostrado na Figura 3.8.
A entrada deste regulador será P I LH A, que é o mesmo ponto do circuito do conector da
Figura 3.7 e a saída da chave lógica 1, da Figura 3.6 e a saída do regulador é uma tensão de 5
V que foi nomeada como R E G U L AD O R . O regulador LP3961 foi escolhido devido as suas
características de tensão máxima de entrada de 7 V, corrente máxima de operação de 800
mA, que é bem mais alta do que os níveis de corrente que serão trabalhados nesta aplica-
ção e também devido a sua característica de Ultra-Low Drop Out Voltage da ordem de mili
Volts, que significa que a diferença mínima entre a entrada e a saída para que este regulador
consiga regular a tensão é de 24 mV, a uma corrente de carga de 80 mA. Além disso, os capa-
citores C1 e C2 são utilizados como capacitores de desacoplamento, anulando oscilações.
(Texas Instruments, 2017b).
Capítulo 3. Metodologia 35
Figura 3.8 – Regulador de tensão LP3961-5V.
Fonte: O Autor
A tensão controlada fornecida à saída do regulador é utilizada, entre outras coisas, para
alimentação do kit de desenvolvimento. Isso será feito a partir de um conector USB fêmea
que estará presente na placa de controle, conforme indica a Figura 3.9. Os pinos D+ e D−estão desconectados por que a aplicação desta porta USB é somente o fornecimento de
energia para o kit de desenvolvimento, e não a troca de dados.
Figura 3.9 – Conector USB fêmea.
Fonte: O Autor
Analogamente ao funcionamento da chave lógica apresentada na Figura 3.6, o próximo
componente da placa de controle é a segunda chave lógica, apresentada na Figura 3.10.
Esta chave tem a arquitetura e funcionamento exatamente iguais a chave 1. Essa chave
liga a saída do regulador de tensão ao conector para a carga, o qual será apresentado a
seguir, no ponto do circuito chamado de J U M P E R 2. Vale ressaltar que nessa chave, o
sinal de controle é P I N 2, ao invés de P I N 1.
Capítulo 3. Metodologia 36
Figura 3.10 – Chave lógica SW2, posicionada entre a saída do regulador de tensão e o co-nector para a carga.
Fonte: O Autor
O conector para a carga é exposto na Figura 3.11. Este conector é uma barra de pinos
com 3 posições, que são J U M P E R 2, G N D e C O N N _C ARG A. A entrada J U M P E R 2 é
proveniente da saída do regulador de tensão, e contem 5 V. Além da alimentação de 5 V que
está disponível, tem-se a ligação C O N N _C ARG A, que vai diretamente ao conector do Kit
de desenvolvimento (que será descrito mais a frente). Isso permite uma possível expansão
do sistema a partir da conexão de um sensor extra a ser lido pelo microcontrolador ou o
acionamento de uma carga também pelo microcontrolador.
Figura 3.11 – Conector para a Carga.
Fonte: O Autor
O comparador apresentado na Figura 3.12 é responsável pela verificação da tensão ge-
rada pelo painel fotovoltaico, ou seja, caso ela caia a baixo de um determinado valor, este
comparador produzirá um sinal à sua saída, P I N _PAI N E L .
Para realizar esta funcionalidade de comparação, é necessário a presença de uma ten-
são de referência em uma das entradas do amplificador operacional. No caso em questão,
a tensão de referência está conectada na entrada não inversora do AMPOP a partir de um
divisor de tensão entre os resistores R17 e R16 com os 5 V provenientes do R E G U L AD O R
como alimentação. A partir de uma análise de circuito simples, é possível aferir que essa
tensão de referência será de 1,56 V. A entrada inversora por sua vez também foi projetada
com um divisor de tensão entre R2 e R3 e o ponto do circuito C O M P _PAI N E L é a fonte
Capítulo 3. Metodologia 37
de tensão a qual se deseja ter controle. Caso a tensão de C O M P _PAI N E L seja menor que
7,5 V, uma borda de subida será enviada através de P I N _PAI N E L para o microcontrola-
dor, porque a tensão de referência (na porta não inversora) passará a ser maior do que na
porta inversora.
Figura 3.12 – Comparador de tensão COMP1, para Painel Fotovoltaico.
Fonte: O Autor
O segundo comparador do circuito é evidenciado na Figura 3.13. Este comparador é
responsável pelo monitoramento da tensão do conjunto de pilhas, que são o elemento ar-
mazenador de energia do sistema. Nesse caso, a tensão de referência também foi feita atra-
vés de um divisor de tensão entre R7 e R8 e com a tensão do R E G U L AD O R como fonte.
Esse divisor resistivo gerou uma tensão de referência de 4,54 V, disponível na entrada não
inversora do amplificador operacional. Na entrada inversora foi injetado diretamente o
sinal P I LH A, a ser comparado. O projeto de uma tensão de referência de 4,54 V se deve
ao fato de que as pilhas apresentarão tensão de 4,5 V quando descarregadas, e então uma
borda de subida será gerada em P I N _P I LH A, sinalizando ao microcontrolador essa des-
carga da unidade armazenadora de energia.
O circuito integrado de amplificador operacional escolhido para ser utilizado nos dois
comparadores foi o LM741, devido a sua fácil acessibilidade e familiaridade com sua utili-
zação. A alimentação destes circuitos será assimétrica, com+5 V e G N D . Estes+5 V serão
fornecidos a partir de uma porta do microcontrolador, que estará disponível no conector
do kit. (Texas Instruments, 2017a)
Vale ressaltar que via de regra o amplificador operacional exige alimentação simétrica
mínima de ± 10 V e máxima de ± 22 V para funcionamento. Texas Instruments (2017a). O
Capítulo 3. Metodologia 38
fato de este circuito ter funcionado com alimentação assimétrica com +5 V se deve a sua
utilização como comparador, ou seja, se o amplificador operacional LM741 estivesse sendo
utilizado para dar ganho de tensão ou realizar operações lógicas entre sinais (aplicações
comuns para AMPOP), o circuito não funcionaria devido a sua alimentação assimétrica
com +5 V.
Figura 3.13 – Comparador de tensão COMP2, para o conjunto de pilhas.
Fonte: O Autor
Finalmente, o conector do kit de desenvolvimento, que será um barra de pinos com 7
posições, conforme Figura 3.14. Esse conector terá as seguintes entradas: C O N N _C ARG A
que é a entrada configurável para a carga que pode ser adicionada ao sistema e P I N _PAI N E L
e P I N _P I LH A que são os pinos relativos as saídas dos comparadores. Já as saídas serão
P I N 1 e P I N 2, relativas aos controles das chaves lógicas e +5 V e G N D , sendo o +5 V uti-
lizado para alimentação dos AMPOPs e o pino G N D tem a função de conectar os terras
do kit de desenvolvimento, do painel e do conjunto de pilhas, tornando a malha de G N D
comum a todos os dispositivos.
Figura 3.14 – Conector para Kit de Desenvolvimento.
Fonte: O Autor
Capítulo 3. Metodologia 39
3.5 Algoritmo de Controle
Todo o processo de desenvolvimento do software do sistema foi feito baseado no con-
ceito de eficiência energética, trazendo alguns aspectos de economia de energia.
O sistema opera baseado em ciclos de trabalho, se alternando entre acordado (Run
Mode) e hibernado (Hibernate Mode). O ciclo ativo pode ser facilmente editado no có-
digo, mas foi projetado a princípio com uma proporção de 5 para 1, ou seja, para cada 1
segundo acordado, o sistema passará 5 segundos hibernado. O consumo energético do
microcontrolador é ínfimo quando hibernado e por isso é tão vantajoso mantê-lo dessa
forma o máximo quanto for possível.
As funções do microcontrolador enquanto acordado são a de leitura do sensor de tem-
peratura e tomada de decisão quanto as chaves lógicas, baseado nas saídas dos compara-
dores. E quando hibernado, o kit apenas manterá o nível das suas portas lógicas e aguar-
dará o tempo necessário para acordar e começar o seu ciclo de trabalho novamente.
A Tabela 1 apresenta a lógica de como as chaves serão controladas, baseadas em todas
as situações possíveis de níveis de tensão no painel solar e estado de carga da bateria. Ainda
no que diz respeito a essa tabela, a Tensão no Painel Solar ser suficiente quer dizer que o
painel fotovoltaico está produzindo mais de 7 V, que é o mínimo necessário para polarizar
o diodo zener e poder efetuar a carga da bateria, conforme previamente explanado.
Tabela 1 – Lógica de acionamento das chaves baseado nos níveis de tensão no painel solare baterias.
Tensão no Painel solar Suficiente Suficiente Não Suficiente Não SuficienteEstado da Bateria Carregada Descarregada Carregada Descarregada
Chave 1 Aberta Fechada Aberta AbertaRUN
Chave 2 Fechada Aberta Fechada AbertaChave 1 Fechada Fechada Aberta Aberta
MODEHIB
Chave 2 Aberta Aberta Aberta AbertaFonte: O Autor
Ademais, as funções foram todas implementadas a partir de interrupções, evitando o
uso de Pooling. Essa é uma boa prática de programação para sistemas embarcados pois
diminui o número de instruções que serão processadas em cada loop do sistema, e dessa
forma o consumo energético abaixa drasticamente.
3.6 Aplicação Final
O sensor de temperatura interno do chip do microprocessador tem duas funções pri-
márias que tem papel importante no funcionamento do micro, a primeira é o controle da
temperatura para notificar o sistema caso a mesma fique alta ou baixa demais tal que as
Capítulo 3. Metodologia 40
operações deixem de ser confiáveis, a segunda é a possibilidade de calibração do oscilador
do RTC. A faixa de operação deste sensor vai de−40◦C até 85◦C . (Texas Instruments, 2013).
O sensor de temperatura converte a temperatura em uma tensão VT s e n s , que é dada
pela seguinte equação, onde T e mp é a temperatura em celcius. Essa equação tem com-
portamento linear, conforme indicado na Figura 3.15.
VT s e n s = 2, 7− ((T e mp +55)/75)
Figura 3.15 – Característica do sensor de Temperatura Interna
Fonte: (Texas Instruments, 2013)
Este sensor de temperatura interno do microcontrolador utiliza uma tensão de refe-
rência de bandgap para gerar o valor VT s e n s , que é uma tensão proporcional a temperatura
absoluta (PTAT, do inglês Proportional to Absolute Temperature). A tensão de bandgap é uti-
lizada como referência nesse tipo de aplicação pois mesmo sob variações de temperatura
ou oscilações na fonte de alimentação, ela continua inalterada, e por isso é denominada
como uma referência independente.
3.7 Metodologia de Testes
O funcionamento do sistema foi comprovado a partir de dois testes. O primeiro deles
foi a tomada de medidas de corrente nos terminais da bateria. Esse teste comprova que
há fluxo de corrente entre os elementos do sistema, evidenciando o processo de carga e
descarga da bateria e deixando clara a gestão da energia que está sendo feita.
O segundo teste será a avaliação do consumo energético do microcontrolador, no de-
correr de 10 minutos de funcionamento, ao se utilizar dois estilos de programação, primei-
ramente um menos eficiente desenvolvido com métodos de pooling, e em seguida um me-
lhor, com método de interrupção. Os parâmetros que indicarão o consumo do microcon-
trolador são a corrente no jumper de alimentação do kit (vide Figura 3.4), e a temperatura
Capítulo 3. Metodologia 41
registrada no sensor de temperatura interno. Temperatura e correntes maiores inficam que
mais potência é dissipada pelo microcontrolador.
Como o ciclo de trabalho do sistema está configurado para 6 segundos (1 segundo acor-
dado e 5 segundos hibernado), no decorrer de 10 minutos de funcionamento serão feitas
100 leituras do sensor de temperatura interna do microcontrolador. Estes 100 pontos serão
utilizados para gerar gráficos de temperatura interna do microcontrolador em função do
tempo de funcionamento.
3.8 Conclusão do Capítulo
Conforme descrito, o projeto foi seccionado em algumas partes, afim de facilitar a com-
preensão e implementação do sistema como um todo. Foi escolhido apenas a colheita de
energia fotovoltaica como fonte de energia do sistema devido a sua maior acessibilidade
e menor complexidade no que diz respeito a necessidade de circuitos externos para trata-
mento do sinal. O elemento armazenador de energia foi definido como um conjunto de 5
pilhas AA recarregáveis de NiMH.
Além do mais, o projeto do circuito de controle do sistema foi todo baseado no uso de
chaves lógicas para conexão ou desconexão das partes do sistema, baseado nos níveis de
tensão do painel fotovoltaico e do conjunto de pilhas, controlando assim o fluxo de energia
entre o elemento conversor, elemento armazenador e terminal para a carga. Essa lógica foi
desenvolvida no kit de desenvolvimento Stellaris LM4F120XL, da Texas Instruments.
Quanto ao software, foram desenvolvidos dois códigos, um com técnicas de eficiência
energética, através de interrupções e outro através de pooling. Ambos com as mesmas
funcionalidades, e serão comparados do ponto de vista do consumo energético.
Finalmente, os testes realizados foram a medida de corrente do painel solar e nas pilhas,
e a comparação da energia dissipada entre os software mais e menos eficientes energetica-
mente em parâmetros da temperatura interna do microcontrolador e corrente consumida
pelo kit de desenvolvimento.
42
4 Resultados
Nessa seção serão apresentados os resultados obtidos durante o processo de confecção
do sistema de colheita de energia. Os resultados estão divididos em: Hardware, Software,
Estrutura e uma seção final que apresenta os testes realizados e a conclusão do capítulo.
4.1 Hardware
O roteamento da placa de circuito impresso (PCI) foi feito através do software Proteus
8 Professional. A escolha deste software foi puramente devido a grande familiaridade com
o mesmo. Após terminado o projeto, a confecção da placa se deu em laboratório da pró-
pria universidade, através de processos de corrosão e pintura. A Figura 4.1 apresenta o
roteamento da placa, a Figura 4.2 a sua simulação 3D gerada pelo software Proteus, e fi-
nalmente a Figura 4.3 mostra uma foto da placa confeccionada e finalizada, com todos os
componentes já soldados.
Figura 4.1 – Roteamento da placa de circuito impresso do sistema de controle desenvol-vida.
Fonte: O Autor
A placa tem 14,5 cm de comprimento e 3,8 cm de largura, ela poderia ter as suas dimen-
sões reduzidas, porém foi pensado em realizá-la desta forma para melhor disposição dos
elementos do sistema dentro da caixa final do sistema.
Outra parte que contempla o hardware do sistema é o conjunto de pilhas. Como nor-
malmente as pilhas são utilizadas em conjuntos de 1, 2, ou 4, não foi possível encontrar um
conector que coubessem 5 pilhas AA, então foi feita uma soldagem entre um conector de 1
pilha e outro conector de 4 pilhas, colocando-os eletricamente em série, formando assim,
um conector de 5 pilhas. A Figura 4.4 apresenta este arranjo.
Capítulo 4. Resultados 43
Figura 4.2 – Simulação 3D da placa de circuito impresso do sistema de controle desenvol-vida.
Fonte: O Autor
Figura 4.3 – Placa de controle com todos os componentes soldados.
Fonte: O Autor
Figura 4.4 – Conjunto de 5 pilhas soldadas em série.
Fonte: O Autor
Capítulo 4. Resultados 44
4.2 Software
O software do sistema foi desenvolvido no Ambiente de Desenvolvimento Integrado
(IDE, do inglês Integrated Development Enviroment) Code Composer Studio 5.5. O uso
desta IDE em detrimento de outras foi devido a sua similaridade com outras IDEs já utili-
zadas previamente e a maior quantidade de material disponível na internet. A seguir serão
apresentados fluxogramas que descrevem o funcionamento do software de uma maneira
mais gráfica. Conforme já comentado previamente, o código principal foi implementado
com interrupções, e sem nenhuma ação por Pooling. Logo é possível observar na Figura
4.5 que as únicas ações feitas na função M a i n () são as configurações dos periféricos do
microcontrolador e a configuração inicial das chaves lógicas 1 e 2.
Os periféricos habilitados são o Clock do sistema, as portas de uso geral (GPIO, do in-
glês General Port Input/Output), o módulo de hibernação, o controlador de interrupções
(NVIC, do inglês Nested Vector Interrupt Controler), o conversor analógico digital (ADC, do
inglês Analog to Digital Converter) e a memória interna EEPROM (do inglês, Electrically-
Erasable Programmable Read-Only Memory).
A configuração inicial das chaves lógicas é feita partindo do pressuposto de que a ba-
teria está carregada no estado inicial do sistema. Caso esse não seja o caso, o sistema logo
fará a mudança nos estados das chaves lógicas, pois os comparadores sinalizarão ao kit de
desenvolvimento caso o conjunto de pilhas esteja descarregada, gerando uma interrupção,
dentro da qual o estado das chaves será alterado.
Como o sistema atua com ciclos de tarefa, alterando entre o modo acordado e hiber-
nado, toda vez que o microcontrolador acordar, o fluxograma da Figura 4.5 será executado,
ou seja, os periféricos serão configurados toda vez.
Figura 4.5 – Fluxograma da função Main() do software.
Fonte: O Autor
Capítulo 4. Resultados 45
No que diz respeito as interrupções do sistema, a primeira delas que será comentada
aqui é a mais simples. O fluxograma da interrupção acionada a partir do sinal proveniente
do comparador do painel solar é apresentado na Figura 4.6. A função deste Handler de
Interrupção é basicamente o de alterar o valor de uma variável global do programa, indi-
cando que o painel solar passou a não estar mais gerando energia suficiente para efetuar
a recarga da bateria. Essa informação será relevante quando o sistema estiver prestes a
entrar em hibernação, pois sabendo o estado do painel solar permite configurar as chaves
lógicas de maneira correta.
Figura 4.6 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do Painel Fotovoltaico.
Fonte: O Autor
A Figura 4.7 expõe o fluxograma referente a interrupção acionada a partir do sinal pro-
veniente do comparador do conjunto de pilhas. Esta rotina de interrupção altera o valor de
outra variável global, indicando ao sistema que a bateria está descarregada e reconfigura
as chaves lógicas, baseado no nível de tensão do painel solar, ou seja, caso o painel solar
esteja gerando energia suficiente, será feita uma configuração das chaves de tal forma a
recarregar as pilhas. Caso o painel esteja gerando menos energia do que o mínimo neces-
sário para recarga das baterias, será feita uma configuração com ambas as chaves abertas,
isolando o painel e também a bateria.
Finalmente, a Figura 4.8 exibe o fluxograma da rotina de interrupção do timer. A frequên-
cia com que essa rotina de interrupção é acionada, é configurável e está intimamente re-
lacionada com o ciclo de tarefa do sistema, ou seja, desde o momento que o sistema ligou
pela primeira vez até o momento em que ele entrar nessa rotina, ele estará em Run Mode.
Dentro desta rotina de interrupção são feitas a maioria das ações do sistema. A primeira
delas é a leitura do sensor de temperatura, indicado na Figura 4.8 como leitura do ADC. A
seguir é feita uma checagem para saber se a memória EEPROM interna está cheia, caso es-
teja, os dados de temperatura serão escritos no seu endereço inicial, e caso a memória não
Capítulo 4. Resultados 46
Figura 4.7 – Fluxograma da interrupção referente ao comparador do conjunto de Pilhas.
Fonte: O Autor
esteja cheia, a escrita do dado de temperatura é feita em sequência, no próximo endereço
disponível.
Na sequência é feita uma verificação quanto ao nível de energia do painel solar, a fim
de saber se ele está gerando o mínimo de energia necessária para efetuar a recarga do ele-
mento armazenador de energia do sistema. Caso esteja, é feita uma configuração das cha-
ves para recarga da bateria, caso não esteja, o painel é deixado isolado da bateria, e a bateria
do terminal da carga, abrindo as duas chaves. Ao fim dessa rotina de interrupção o sistema
é posto em hibernação. O microcontrolador acordará sozinho após um intervalo de tempo
pré-programado. O software completo desenvolvido, contendo todo o código principal e
também a biblioteca criada são apresentadas nos Apêndices.
4.3 Estrutura
Para a parte estrutural do equipamento, algumas preocupações foram levadas em conta,
tal como a necessidade de total exposição do painel fotovoltaico ao sol, e a isolação da parte
de eletrônica do sistema à umidade. Não seria viável desenvolver um encapsulamento to-
talmente a prova d’água, mas a intenção foi de pelo menos apresentar certa resistência. A
Figura 4.9 apresenta o resultado final obtido para a parte estrutural do sistema e a Figura
Capítulo 4. Resultados 47
Figura 4.8 – Fluxograma da interrupção do Timer.
Fonte: O Autor
4.10 apresenta o sistema completo em funcionamento, com todos os elementos dentro da
caixa.
Capítulo 4. Resultados 48
Figura 4.9 – Caixa desenvolvida como parte estrutural do sistema.
Fonte: O Autor
Figura 4.10 – Caixa finalizada com todos os elementos do sistema conectados e funcio-nando no seu interior.
Fonte: O Autor
4.4 Resultados do sistema
Para um primeira etapa de testes do sistema foram tomadas medidas de corrente no
jumper de alimentação do kit de desenvolvimento e também das pilhas durante um ciclo
Capítulo 4. Resultados 49
(modo RUN e HIBERNATE). Essas medidas foram tomadas tanto para o software desen-
volvido com método de interrupções, quanto para o desenvolvido através de pooling. A
realização deste teste se deu em uma situação onde o painel solar estava gerando 8, 5V e
as medidas de corrente variaram sempre entre os dois valores apresentados nas tabelas a
seguir.A Tabela 2 apresenta os valores de corrente considerando o software com interrup-
ções e a Tabela 3 apresenta as correntes executando o software com pooling.
Tabela 2 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto utili-zando software com método de interrupções.
KIT PILHASCorrente RUN
[mA] Corrente HIB [mA] Corrente RUN [mA] Corrente HIB [mA]
21,2 0,26 65,3 -4418,4 0,26 64,3 -43,5
Tabela 3 – Correntes do conjunto de pilhas e do kit de desenvolvimento enquanto utili-zando software com método de pooling.
KIT PILHASCorrente RUN
[mA] Corrente HIB [mA] Corrente RUN [mA] Corrente HIB [mA]
23 0,26 71,6 -47,922,9 0,2 68,5 -47
Os resultados obtidos foram de acordo com o esperado, apresentando o menor con-
sumo energético para o software com método de interrupções. Vale comentar que os va-
lores de corrente da bateria são negativos no período de hibernação pois é o momento de
recarga da mesma. A partir desses dados de corrente e também tendo consciência de que o
sistema fica 1 segundo em modo RUN e 5 segundos em modo HIB é possível fazer uma aná-
lise de que a corrente de recarga sempre suprirá a bateria, transferindo mais energia para
dentro da mesma no seu período de recarga do que é consumido no seu período "ativo",
comprovando a autonomia do equipamento.
O próximo teste realizado foi a tomada de medidas de temperatura do sensor de tem-
peratura interno do microcontrolador em função do tempo de funcionamento. Essas me-
didas também foram retiradas para ambos os softwares desenvolvidos. Para este teste o
sistema foi posto para funcionar normalmente durante 10 minutos e após isso foram reti-
rados os dados de temperatura armazenados na sua EEPROM. Diferente do último teste,
nesse caso o experimento se deu dentro de uma sala fechada, com o painel solar produ-
zindo apenas 5 V.
Conforme já explanado previamente, o ciclo de tarefa do sistema é de 6 segundos (1
segundo acordado e 5 segundos hibernado), ou seja, ao final de um período de funciona-
mento de 10 minutos, foram retirados 100 valores de temperatura interna da memória do
Capítulo 4. Resultados 50
microcontrolador. Esses valores estão apresentados no Apêndice D e foram utilizados para
montar os gráficos, através do software de simulação matemática Matlab.
A Figura 4.11 mostra um gráfico de temperatura em função do tempo de funciona-
mento, obtido a partir do software baseado em interrupções. Enquanto que o gráfico pre-
sente na figura 4.12 mostra o equivalente, porém para o software com método de pooling.
Figura 4.11 – Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funciona-mento para software por interrupções.
Fonte: O Autor
Capítulo 4. Resultados 51
Figura 4.12 – Temperatura interna do microcontrolador durante 10 minutos de funciona-mento para software por pooling.
Fonte: O Autor
Para uma análise mais simplista, porém ainda condizente, foi feita a média de tempera-
tura para ambas as tomadas de dados, e os valores obtidos são Ti n t = 29, 68◦C para software
com interrupções e Tp o o l = 30, 60◦C para o método de pooling. Além disso, foi feita uma
média do desvio padrão para os dois casos. No caso do software com interrupções a média
do desvio padrão foi de 0, 098◦C enquanto que para o software com pooling foi de 0, 206◦C ,
ou seja, nas duas tomadas de dados, os valores variaram muito pouco a partir do valor mé-
dio.
A Figura 4.13, apresenta as temperaturas das duas tomadas de dados do teste anterior.
O objetivo deste gráfico é colocar em uma mesma escala as duas curvas e tornar mais visual
a diferença entre os dois conjuntos de dados.
Capítulo 4. Resultados 52
Figura 4.13 – Comparação da temperatura interna do microcontrolador durante 10 minu-tos de funcionamento para software por interrupções (verde) e software porpooling (azul).
Fonte: O Autor
4.5 Conclusão do Capítulo
Após projetados e desenvolvidos, o hardware e software do sistema foram submetidos
a dois testes, que comprovaram o funcionamento do sistema, demonstrando a recarga da
bateria, e também demonstraram de forma prática o que já era esperado de acordo com
a teoria, a quantidade de energia dissipada pelo software desenvolvido com técnicas de
eficiência energética é menor do que o software com técnica de pooling.
53
5 Discussões e Conclusões
Embora muito tempo tenha sido gasto com pesquisas e considerações sobre os méto-
dos de colheita de energia que seriam implementados no sistema, a colheita de energia
fotovoltaica se demonstrou a mais palpável e suficiente para, em conjunto com as pilhas,
atender as necessidades de autonomia energética do sistema.
A escassez de materiais especialmente sobre técnicas de colheita de energia que não
fossem fotovoltaicas e térmicas também foi uma dificuldade encontrada, pois atrasou o
andamento do trabalho e prorrogou a decisão sobre quais métodos de colheita seriam de
fato implementados.
Diversos testes foram realizados em protoboards, tal como os testes dos comparadores
lógicos gerando interrupções no microcontrolador e das chaves lógicas para conectar ou
desconectar pontos de um circuito. Esses testes foram feitos antes da implementação da
placa de circuito impresso efetivamente, afim de evitar erros, porém após confeccionada, a
placa de controle não funcionou nos primeiros testes e foram necessárias horas de trabalho
analisando o hardware em busca dos erros. Esses erros foram encontrados e corrigidos,
tornando possível a realização dos testes do sistema como um todo.
Sobre a escolha o circuito integrado LM741, de amplificadores operacionais. Pode-se
dizer que o LM741 é um amplificador operacional ultrapassado devido a época em que
foi desenvolvido, em torno de 1968. Embora existam opções mais modernas tal como o
LM311, um amplificador operacional cuja principal aplicação é a de comparação, a uti-
lização do LM741 se deu devido ao fácil acesso e familiaridade, e também pois os testes
realizados com o mesmo foram bem sucedidos.
Os testes realizados comprovaram que a maior eficiência energética ocorre quando da
utilização de um software baseado na técnica de interrupções do que na técnica de pooling
e também demonstraram que a gestão da energia estava sendo realizada pelo microcon-
trolador.
5.1 Trabalhos Futuros
Embora o trabalho tenha sido desenvolvido com muito esmero e empenho, é de co-
nhecimento do autor que existem alguns pontos que possam ser melhorados para tornar
o sistema ainda mais eficiente, expandindo assim o leque de aplicações possíveis.
Após o estudo realizado sobre algumas formas diferentes de colheita de energia, em-
bora tenham sido constatadas as dificuldades de implementação de outros métodos tais
como a colheita de energia térmica ou eólica, uma melhoria que poderia ser feita no sis-
tema é a implementação de outros métodos de colheita de energia além da fotovoltaica.
Capítulo 5. Discussões e Conclusões 54
Isso diversifica as fontes das quais o sistema recolhe energia para recarregar a sua bateria
interna, tornando-o ainda mais robusto e aumentando a sua autonomia.
Dando sequência, pode-se dizer que existem sistemas de gerenciamento de baterias
muito mais complexos do que o que foi implementado. Elementos gerenciadores de ba-
teria consolidados tomam cuidado com o nível de tensão e temperatura de cada célula da
bateria individualmente, fazendo com que todas as células da bateria estejam em equilí-
brio. Isso aumenta a vida útil da bateria e torna mais eficiente a forma como a sua energia
é utilizada. O projeto de um sistema mais complexo a nível de gerenciamento da bateria é
uma melhoria futura que pode vir a ser implementada.
Os comparadores utilizados no circuito do sistema de controle são comparadores sim-
ples com amplificador operacional e uma melhoria possível e simples de ser implementada
seria a troca destes por comparadores por histerese, que são circuitos com realimentação
positiva. Isso pode evitar que a saída do amplificador demore para se estabilizar, causando
problemas na lógica do sistema.
Além disso, o uso de um kit de desenvolvimento tem a suas vantagens tais como a rápida
prototipagem e teste com componentes em protoboard, mas também tem as suas desvan-
tagens que são o maior consumo energético. Um aperfeiçoamento que pode ser feito para
um trabalho futuro é o desenvolvimento de uma única placa de circuito impresso con-
tendo os elementos da placa de controle e apenas os itens que estão sendo utilizados do
kit de desenvolvimento, que contemplam o chip do microcontrolador, osciladores, pinos
de alimentação e de programação dentre alguns outros periféricos.
Em conjunto com o desenvolvimento de uma única placa de circuito impresso inte-
grada, é possível realizar outra melhoria, que seria a adição de um chip externo de memó-
ria EEPROM e implementação de outros sensores cuja escolha dependem da aplicação.
Realizar essas mudanças é uma boa opção considerando que a memória interna do micro-
controlador contém apenas 511 endereços.
55
Referências
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LEONOV, v. Thermoelectric energy harvesting of human body heat for wearable sensors.IEEE Sensors Journal, v. 13, n. 6, p. 2284–2291, 2013. 18
NESARAJAH, M. e FREY, G. Thermoelectric power generation: Peltier element versusthermoelectric generator. In: INDUSTRIAL ELECTRONICS SOCIETY (IECON), 42.Dezembro, 2016, Florence, Italy. IEEE, 2016. 20
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Semiconductor Components Industries. BC337, BC337-25, BC337-40, Rev. 8. 2013. 33
SIMPSON, C. Characteristics of Rechargeable Batteries. [S.l.]: Texas Instruments, 2011. 26,27
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Referências 56
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Texas Instruments. LM741 Operational Amplifier, Rev. 2015. 2017. 37
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UMANS, S. D. Maquinas Elétricas de Fitzgerald e Kingsley. [S.l.]: Mc Graw Hill Edição: 7ª,2014. 21
57
6 Apêndice A - Código Main - Método de
Interrupções
1
2 # include "APP_LIB . h"
3
4
5 # i f d e f DEBUG
6 vo id__ err or__ ( char pcFilename , unsigned long ulLine )
7 {}
8 # endif
9
10
11 /
12 GLOBAL VARIABLES
13 /
14 Estado_Bateria e s t a d o _ b a t e r i a ;
15 Estado_Painel estado_painel ;
16
17 //comeco da EEPROM
18 unsigned long endereco ;
19
20
21 /
22 FUNCAO MAIN
23 /
24 i n t main ( void ) {
25 SysCtlClockSet ( SYSCTL_SYSDIV_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ |
SYSCTL_OSC_MAIN) ;
26
27
28 Conf_GPIO ( ) ;
29
30 //apaga LED azul e vermelho , acende LED verde . ( sistema em RUN mode)
31 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue | Pino_LED_Red , 0) ;
32 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green , Pino_LED_Green ) ;
33
34 Conf_Hibernate ( ) ;
35
36 Conf_ADC ( ) ;
37
38 Conf_GPIO_Interrupt ( ) ;
39
Capítulo 6. Apêndice A - Código Main - Método de Interrupções 58
40 Conf_EEPROM ( ) ;
41
42 //Configuracao i n i c i a l das chaves , para fornecer energia a carga
43 Close_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
44 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
45
46 Conf_TIM_Interrupt ( ) ;
47
48 unsigned long period = 0 ;
49 period = ( SysCtlClockGet ( ) / 1) ;
50 /
51 Calcula o numero de c i c l o s de clock n e c e s s a r i o s para uma determinada
frequencia
52 −> SysCtlClockGet ( ) / 0 . 2 = 199999999
53 −> SysCtlClockGet ( ) / 1 = 40000000
54 /
55 TimerLoadSet ( TIMER0_BASE , TIMER_A , period − 1) ;
56
57 while ( 1 ) {
58
59 }
60
61 }
62
63
64 void Timer0IntHandler ( void ) {
65 // Clear the timer i n t e r r u p t
66 TimerIntClear ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;
67
68 // V a r i a v e l para l e i t u r a do ADC
69 unsigned long ulTempValueC , pulRead ;
70
71 ulTempValueC = ADC_Read ( ) ;
72
73 i f ( endereco == 0X01FF ) {
74 endereco = 0 ;
75 }
76
77 EEPROMProgram(&ulTempValueC , endereco , s i z e o f ( ulTempValueC ) ) ;
78 EEPROMRead(&pulRead , endereco , s i z e o f ( pulRead ) ) ;
79 endereco++;
80
81 // V e r i f i c a em qual Configuracao as chaves devem s e r deixadas antes de hibernar
82 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {
83 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a
84 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
85 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
Capítulo 6. Apêndice A - Código Main - Método de Interrupções 59
86 }
87 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e
88 e l s e {
89 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a
90 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
91 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
92 }
93
94 // Go to hibernate mode
95 Enter_Hibernate ( ) ;
96
97 }
98 void IntGPIOBHandler ( void ) {
99 //Clear IT pending b i t
100 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;
101
102 e s t a d o _ b a t e r i a = descarregada ;
103
104 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {
105 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a
106 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
107 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
108 }
109 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e
110 e l s e {
111 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a
112 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
113 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
114 }
115
116
117 }
118 void IntGPIOFHandler ( void ) {
119 //Clear IT pending b i t
120 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;
121
122
123 estado_painel = i n s u f i c i e n t e ;
124
125 }
60
7 Apêndice B - Código Main - Método de
Pooling
1 # include "APP_LIB . h"
2
3
4 # i f d e f DEBUG
5 vo id__ err or__ ( char pcFilename , unsigned long ulLine )
6 {}
7 # endif
8
9
10 /
11 GLOBAL VARIABLES
12 /
13 Estado_Bateria e s t a d o _ b a t e r i a ;
14 Estado_Painel estado_painel ;
15
16 //comeco da EEPROM
17 unsigned long endereco ;
18 unsigned long contador = 333333;
19
20 /
21 FUNCAO MAIN
22 /
23 i n t main ( void ) {
24
25 SysCtlClockSet ( SYSCTL_SYSDIV_5 | SYSCTL_USE_PLL | SYSCTL_XTAL_16MHZ |
SYSCTL_OSC_MAIN) ;
26
27
28 Conf_GPIO ( ) ;
29
30 //apaga LED azul e vermelho , acende LED verde . ( sistema em RUN mode)
31 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue | Pino_LED_Red , 0) ;
32 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green , Pino_LED_Green ) ;
33
34
35 Conf_Hibernate ( ) ;
36
37 Conf_ADC ( ) ;
38
39 //Conf_GPIO_Interrupt ( ) ;
Capítulo 7. Apêndice B - Código Main - Método de Pooling 61
40
41 Conf_EEPROM ( ) ;
42
43 //Configuracao i n i c i a l das chaves , para fornecer energia a carga
44 Close_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
45 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
46
47
48 while ( 1 ) {
49
50 i f ( GPIOPinRead ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) == Pino_Comp2 ) {
51 estado_painel = i n s u f i c i e n t e ;
52 }
53
54 e l s e {
55 estado_painel = s u f i c i e n t e ;
56 }
57
58
59 i f ( GPIOPinRead ( Porta_Comp , Pino_Comp ) == Pino_Comp ) {
60 e s t a d o _ b a t e r i a = descarregada ;
61
62 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {
63 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a
64 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
65 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
66 }
67 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e
68 e l s e {
69 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a
70 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
71 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
72 }
73 }
74
75 e l s e {
76 e s t a d o _ b a t e r i a = carregada ;
77 }
78
79 i f ( contador == 0) {
80
81 // V a r i a v e i para l e i t u r a do ADC
82 unsigned long ulTempValueC , pulRead ;
83
84 ulTempValueC = ADC_Read ( ) ;
85
86 i f ( endereco == 0X01FF ) {
Capítulo 7. Apêndice B - Código Main - Método de Pooling 62
87 endereco = 0 ;
88 }
89
90 EEPROMProgram(&ulTempValueC , endereco , s i z e o f ( ulTempValueC ) ) ;
91 EEPROMRead(&pulRead , endereco , s i z e o f ( pulRead ) ) ;
92 endereco++;
93
94 // V e r i f i c a em qual configuracao as chaves devem s e r deixadas antes de
hibernar :
95 i f ( estado_painel == s u f i c i e n t e ) {
96 //Configuracao das chaves para c a r r e g a r b a t e r i a
97 Close_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
98 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
99 }
100 // caso estado_painel == i n s u f i c i e n t e
101 e l s e {
102 //Configuracao das chaves d e i x a r b a t e r i a i s o l a d a
103 Open_Switch_x ( Porta_SW1 , Pino_SW1 ) ;
104 Open_Switch_x ( Porta_SW2 , Pino_SW2 ) ;
105 }
106
107 // Go to hibernate mode
108 Enter_Hibernate ( ) ;
109 }
110
111 e l s e {
112 contador −−;
113
114 }
115
116 }
117
118 }
63
8 Apêndice C - Código Biblioteca
1 # include "APP_LIB . h"
2
3 extern unsigned long endereco ;
4
5 void Conf_GPIO ( ) {
6
7 // Configura pino como saida (LED VERMELHO, AZUL e VERDE)
8 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;
9 GPIOPinTypeGPIOOutput ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Red | Pino_LED_Blue |
Pino_LED_Green ) ;
10
11 // Configura pinos como saida ( chaves )
12 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOA ) ;
13 GPIOPinTypeGPIOOutput ( Porta_SW1 , Pino_SW1 | Pino_SW2 ) ;
14
15 //Configura pino como entrada (PB placa )
16 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;
17 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_PB , Pino_PB ) ;
18
19 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOB ) ;
20 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;
21
22 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;
23 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;
24
25
26 //
27 // Unlock PF0 so we can change i t to a GPIO input
28 // Once we have enabled ( unlocked ) the commit r e g i s t e r then re−lock i t
29 // to prevent f u r t h e r changes . PF0 i s muxed with NMI thus a s p e c i a l case .
30 //
31 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_LOCK) = GPIO_LOCK_KEY_DD ;
32 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_CR) |= 0x01 ;
33 HWREG( Porta_PB + GPIO_O_LOCK) = 0 ;
34
35
36 // As duas l i n h a s a baixo j a estao presentes dentro da funcao
GPIOPinTypeGPIOInput .
37 // Se p r e c i s a r a l t e r a r os argumentos delas , dai e necessar io e s p e c i f i c a r .
38 GPIODirModeSet ( Porta_PB , Pino_PB , GPIO_DIR_MODE_IN) ;
39 GPIOPadConfigSet ( Porta_PB , Pino_PB , GPIO_STRENGTH_2MA, GPIO_PIN_TYPE_STD_WPU ) ;
40
Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 64
41 }
42
43
44 void Conf_TIM_Interrupt ( void ) {
45
46 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_TIMER0 ) ;
47 TimerConfigure ( TIMER0_BASE , TIMER_CFG_32_BIT_PER ) ;
48
49 IntEnable ( INT_TIMER0A ) ;
50
51 TimerIntEnable ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;
52 IntMasterEnable ( ) ;
53
54 TimerEnable ( TIMER0_BASE , TIMER_A ) ;
55 }
56
57
58 void Conf_Hibernate ( void ) {
59
60 //
61 // Enable the hibernate module
62 //
63 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_HIBERNATE ) ;
64
65 //
66 // Defines the clock supplied to the Hibernate module
67 //
68 HibernateEnableExpClk ( SysCtlClockGet ( ) ) ;
69
70 //
71 // C a l l i n g t h i s function enables the GPIO pin s t a t e to be maintained
72 // during hibernation and remain a c t i v e even when waking from hibernation .
73 //
74 HibernateGPIORetentionEnable ( ) ;
75
76 //
77 // Set the waking condition to be e i t h e r the GPIO pin , or the RTC
78 //
79 HibernateWakeSet (HIBERNATE_WAKE_PIN | HIBERNATE_WAKE_RTC) ;
80 }
81
82 void Enter_Hibernate ( void ) {
83
84 //apaga LED verde e vermelho , acende LED azul .
85 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Green , Pino_LED_Green | Pino_LED_Red , 0) ;
86 GPIOPinWrite ( Porta_LED_Blue , Pino_LED_Blue , Pino_LED_Blue ) ;
87
Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 65
88 //Disable na interrupcao do timer
89 I n t D i s a b l e ( INT_TIMER0A ) ;
90 TimerIntDisable ( TIMER0_BASE , TIMER_TIMA_TIMEOUT) ;
91
92 //
93 // Prepare RTC wake up f o r the Hibernation Module
94 // These l i n e s configure the RTC wake−up parameters ; r e s e t the RTC to 0 ,
95 // turn the RTC on and s e t the wake up time f o r 5 seconds in the f u t u r e .
96 //
97 HibernateRTCSet ( 0 ) ;
98 HibernateRTCEnable ( ) ;
99 HibernateRTCMatch0Set ( 5 ) ; // F i c a r 5 segundos hibernado
100
101 // //
102 // // Go to hibernate mode
103 // //
104 HibernateRequest ( ) ;
105
106
107 }
108
109 void Conf_ADC ( void ) {
110
111 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_ADC0 ) ;
112
113 SysCtlADCSpeedSet ( SYSCTL_ADCSPEED_250KSPS ) ;
114
115 // Disabele −> Configure −> Enable
116 ADCSequenceDisable (ADC0_BASE , 1) ;
117
118 ADCSequenceConfigure (ADC0_BASE , 1 , ADC_TRIGGER_PROCESSOR , 0) ;
119 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 0 , ADC_CTL_TS ) ;
120 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 1 , ADC_CTL_TS ) ;
121 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 2 , ADC_CTL_TS ) ;
122 ADCSequenceStepConfigure (ADC0_BASE , 1 , 3 , ADC_CTL_TS | ADC_CTL_IE |
ADC_CTL_END) ;
123
124 ADCSequenceEnable (ADC0_BASE , 1) ;
125
126 }
127
128 unsigned long ADC_Read ( void ) {
129
130 // V a r i a v e i s para l e i t u r a do ADC
131 unsigned long ulADC0Value [ 4 ] ;
132 v o l a t i l e unsigned long ulTempAvg , ulTempValueC ;
133
Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 66
134 ADCIntClear (ADC0_BASE , 1) ;
135 ADCProcessorTrigger (ADC0_BASE , 1) ;
136
137 //Espera a conversao s e r completada
138 while ( ! ADCIntStatus (ADC0_BASE , 1 , f a l s e ) ) {
139
140 }
141
142 ADCSequenceDataGet (ADC0_BASE , 1 , ulADC0Value ) ;
143
144 ulTempAvg = ( ulADC0Value [ 0 ] + ulADC0Value [ 1 ] + ulADC0Value [ 2 ] + ulADC0Value [ 3 ]
+ 2) /4 ;
145 //ulTempValueC = (1475 − (2475 ulTempAvg ) / 4096) /1 0 ;
146 ulTempValueC = (14750 − (24750 ulTempAvg ) / 4096) ;
147
148
149 return ulTempValueC ;
150 }
151
152
153 void Conf_GPIO_Interrupt ( void ) {
154
155
156 // INTERRUPCAO 1 : PB0 (COMP BATERIA )
157 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOB ) ;
158 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;
159 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;
160 GPIOIntTypeSet ( Porta_Comp , Pino_Comp , GPIO_HIGH_LEVEL ) ;
161 I n t P r i o r i t y S e t ( INT_GPIOB , 0x20 ) ;
162 GPIOPinIntEnable ( Porta_Comp , Pino_Comp ) ;
163 IntEnable ( INT_GPIOB ) ;
164
165 // INTERRUPCAO 2 : PF0 (COMP PV )
166 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_GPIOF ) ;
167 GPIOPinTypeGPIOInput ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;
168 GPIOPinIntClear ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;
169 GPIOIntTypeSet ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 , GPIO_RISING_EDGE ) ; //GPIO_HIGH_LEVEL
170 I n t P r i o r i t y S e t ( INT_GPIOF , 0x20 ) ;
171 GPIOPinIntEnable ( Porta_Comp2 , Pino_Comp2 ) ;
172 IntEnable ( INT_GPIOF ) ;
173
174
175 ( void ) IntMasterEnable ( ) ;
176
177
178 }
179
Capítulo 8. Apêndice C - Código Biblioteca 67
180
181
182 void Close_Switch_x ( unsigned long Porta_key_x , unsigned long Pino_key_x ) {
183
184 GPIOPinWrite ( Porta_key_x , Pino_key_x , 0) ;
185
186 }
187
188 void Open_Switch_x ( unsigned long Porta_key_x , unsigned long Pino_key_x ) {
189
190 GPIOPinWrite ( Porta_key_x , Pino_key_x , Pino_key_x ) ;
191
192 }
193
194 void Conf_EEPROM( void ) {
195
196 SysCtlPer ipheralEnable ( SYSCTL_PERIPH_EEPROM0 ) ;
197
198 unsigned long pulData ;
199 unsigned long pulRead ;
200
201 //Escreve 0x0123456789ABCDEF para i n d i c a r comeco da memoria
202 pulData = 0x89ABCDEF ;
203
204 EEPROMInit ( ) ;
205 EEPROMMassErase ( ) ; //apaga totalmente EEPROM (0 xFFFF ) ( chamar e s t a funcao
somente quando f o r r e s e t a r o estado da memoria )
206 EEPROMRead(&pulRead , 0x0 , s i z e o f ( pulRead ) ) ;
207 EEPROMProgram(&pulData , 0x0 , s i z e o f ( pulData ) ) ;
208 EEPROMRead(&pulRead , 0x0 , s i z e o f ( pulRead ) ) ;
209
210
211 }
68
9 Apêndice D - Dados de temperatura in-
terna do Microcontrolador
temperatura_interrupcao =
Columns 1 through 4
29.6800 29.4300 29.6800 29.6200
Columns 5 through 8
29.3700 29.5000 29.5000 29.6800
Columns 9 through 12
29.6200 29.3700 29.6800 29.4300
Columns 13 through 16
29.8600 29.5600 29.5600 29.4300
Columns 17 through 20
29.5000 29.6200 29.8000 29.6200
Columns 21 through 24
29.8600 29.7400 29.7400 29.5000
Columns 25 through 28
29.7400 29.7400 29.5600 29.8000
Columns 29 through 32
29.5600 29.6800 29.8000 29.8600
Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 69
Columns 33 through 36
29.8000 29.6200 29.6800 29.8000
Columns 37 through 40
29.6800 29.6800 29.6200 29.7400
Columns 41 through 44
29.8000 29.6200 29.7400 29.6800
Columns 45 through 48
29.6200 29.6200 29.8000 29.6800
Columns 49 through 52
29.4300 29.6200 29.6200 29.7400
Columns 53 through 56
29.6800 29.8000 29.8000 29.6800
Columns 57 through 60
29.7400 29.6200 29.5600 29.6200
Columns 61 through 64
29.8000 29.6200 29.5600 29.7400
Columns 65 through 68
29.8000 29.5000 29.8600 29.5000
Columns 69 through 72
Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 70
29.9200 29.7400 29.8000 29.5600
Columns 73 through 76
29.7400 29.8000 29.6200 29.8000
Columns 77 through 80
29.8000 29.6800 29.6800 29.8600
Columns 81 through 84
29.8600 29.8000 29.9200 29.8000
Columns 85 through 88
29.8500 29.6800 29.7400 29.6800
Columns 89 through 92
29.6200 29.7400 29.5600 29.7400
Columns 93 through 96
29.7400 29.6800 29.6800 29.5600
Columns 97 through 100
29.8000 29.8000 29.8000 29.6200
temperatura_pooling =
Columns 1 through 4
29.3700 30.1000 29.6800 29.8000
Columns 5 through 8
29.8600 29.8600 30.0400 30.1000
Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 71
Columns 9 through 12
30.1600 30.2800 30.4000 30.4600
Columns 13 through 16
30.4600 30.4600 30.5800 30.4200
Columns 17 through 20
30.5600 30.5800 30.5200 30.4000
Columns 21 through 24
30.4000 30.4600 30.5200 30.5200
Columns 25 through 28
30.5200 30.4600 30.3400 30.5200
Columns 29 through 32
30.5200 30.5800 30.4600 30.5200
Columns 33 through 36
30.5200 30.4600 30.5800 30.5200
Columns 37 through 40
30.5800 30.5800 30.6400 30.6400
Columns 41 through 44
30.5200 30.6400 30.6400 30.5200
Columns 45 through 48
Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 72
30.7000 30.7000 30.6400 30.7600
Columns 49 through 52
30.7000 30.6400 30.7000 30.7600
Columns 53 through 56
30.7000 30.7600 30.7600 30.7600
Columns 57 through 60
30.7600 30.7000 30.6400 30.7000
Columns 61 through 64
30.7600 30.5800 30.7000 30.7600
Columns 65 through 68
30.5800 30.6400 30.7000 30.6400
Columns 69 through 72
30.8200 30.7600 30.7000 30.7600
Columns 73 through 76
30.7600 30.7000 30.7000 30.8900
Columns 77 through 80
30.8200 30.7600 30.6400 30.7600
Columns 81 through 84
30.8200 30.8200 30.3900 30.9000
Columns 85 through 88
Capítulo 9. Apêndice D - Dados de temperatura interna do Microcontrolador 73
30.8500 30.8200 30.8900 30.9500
Columns 89 through 92
31.0100 31.0100 30.8900 30.9500
Columns 93 through 96
30.8200 30.9500 31.0100 30.9500
Columns 97 through 100
31.0100 31.0700 30.9500 31.0100