Universidade Federal de Santa Maria

Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Ed. Especial, e51, 2020

DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X42532

Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019

Special Edition

Projeto de uma Fonte de Alimentação Ajustável Controlada via Bluetooth Aplicada a um Sistema Ferroviário de Baixa Potência

Design of a Bluetooth Controlled Adjustable Power Supply Applied to a Low Power Rail System

Leonardo Da Silveira^I

 Jaderson Rosa Dos Santos^II

Fernanda Marques Goncalves^III

Henrique Sanches Barboza De Oliveira^IV

Leticia Laureano Xavier De Moura^V

Vanessa Virginia Silva^VI

Sabine Ritter De Paris^VII

 Matheus Cargnelutti De Souza^VIII

Valéria Rolim Marostega^IX

Francisco Marchet Dalosto^X

 Celso Becker Tischer^XI

^I      Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - leonardo_dasilveira@outlook.com

^II     Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - r.jaderson@gmail.com

^III    Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - fefamarquesgoncalves@gmail.com

^IV    Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - rique_sanches@hotmail.com

^V     Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - leticialxavier@gmail.com

^VI    Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - v.virginiavvs@gmail.com

^VII   Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - sparis.arq@gmail.com

^VIII  Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - matheuscargnelutti@hotmail.com

^IX    Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - arq.valeria@hotmail.com

^X     Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - fmdalosto@gmail.com

^XI    Universidade Federal de Santa Maria, Cachoeira do Sul, Brasil - cbtischer@gmail.com

Resumo

As fontes de alimentação são dispositivos essenciais para o funcionamento de diversos equipamentos eletrônicos, são responsáveis por converter a corrente alternada (CA), proveniente da rede elétrica, em contínua, de acordo com as necessidades do aparelho alimentado. Nesse contexto, este trabalho apresenta o projeto de uma fonte de alimentação de corrente contínua (CC) conectada à rede elétrica aplicada a um sistema ferroviário de baixa potência que utiliza um motor CC para o deslocamento de vagões de trem. O sistema é composto por 5 estágios para obtenção da tensão desejada, emprega inicialmente um transformador com tomada central, que rebaixa a tensão de 220 V para 18 V, diodos retificadores, os quais convertem a CA em CC, um filtro capacitivo e um regulador de tensão. Por fim, é realizado o controle da tensão fornecida ao motor CC por meio da modulação por largura de pulso (PWM), provinda de um microcontrolador ATMEGA e modificada por um aplicativo para smartphone via Bluetooth, no qual foi desenvolvido na plataforma MIT App Inventor. Além do controle de velocidade, o sistema prevê o controle da direção da locomotiva, de uma barreira semafórica e também da iluminação do protótipo ferroviário construído.

Palavras-chave: Ferrorama; Arduino; Bluetooth

Abstract

The power supplies are essential devices for the operation of various electronic equipment, they are responsible for converting the alternating current (AC), from the electrical grid, in continuous, according to the needs of the powered device. In this context, this paper presents the design of a DC electrical grid connected power supply applied to a low power rail system that uses a DC motor to move train cars. The system consists of 5 stages to obtain the desired voltage, initially it employs a center tapped transformer, which lowers the voltage from 220V to 18V, rectifier diodes, which convert AC to DC, a capacitive filter and a voltage regulator. Finally, the voltage supplied to the DC motor is controlled by pulse width modulation (PWM), which comes from an ATMEGA microcontroller and it is modified by a smartphone application via Bluetooth, developed on the MIT App Inventor platform. Besides the speed control, the system allows the control of the locomotive's direction, of a traffic light barrier and also of the lighting of the rail prototype.

Keywords: Rail prototype; Arduino; Bluetooth

1 Introdução

Para o correto funcionamento dos circuitos eletrônicos torna-se necessário ajustar o nível de tensão para uma aplicação específica. A implementação de uma fonte de alimentação converte o nível de tensão disponível na rede elétrica através da conversão CA/CC, realizada por diodos retificadores e reguladores de tensão, e/ou CC/CC, feita através de conversores lineares ou conversores estáticos que modificam a amplitude da tensão (BRAGA, 2005).

O projeto de fontes de alimentação pode ser realizado de diversas maneiras, uma delas é considerando a utilização de um microcontrolador a fim de obter o controle da tensão de saída que será aplicado em um circuito. Os microcontroladores associados a módulos disponíveis atualmente possibilita controlar variáveis, como de tensão e corrente, à distância sem necessidade de botões. Um microcontrolador amplamente documentado e aplicado em processos de controle e automação é o Arduino, que funciona como uma plataforma open source baseada em simples conexões de entrada e saída. O ambiente de desenvolvimento integrado (IDE), que é a parte de software, é baseado na linguagem C++ e está disponível gratuitamente (BANZI, 2014). A quantidade de portas digitais e analógicas varia entre os modelos de Arduinos, bem como a capacidade de processamento. Esta plataforma de prototipagem é projetada com um Atmel AVR de 8 bits.

Existem diversos estudos na literatura utilizando placas Arduino, como por exemplo um sistema de destravamento e monitoramento em tempo real de portas contendo múltiplas portas por Nath et al.(2016). Além disso, este projeto conta com um sistema de controle de fogo que abre todas as portas em caso de emergência. Zulkifli, Hussin e Saad (2014,) utilizaram o Arduino e o MATLAB como microcontrolador para um inversor trifásico, tendo como resposta que o Arduino é capaz de usar estratégias de controle mais avançadas, como, por exemplo, o controle repetitivo. Dai e Yang (2016), utilizando o Arduino, desenvolveram uma escala eletrônica Bluetooth para descobrir a ingestão de água de um usuário e obtiveram resultados condizentes com os resultados esperados.

Frente à importância das fontes de alimentação e a versatilidade da plataforma Arduino, o seguinte projeto tem como principal objetivo projetar e implementar uma fonte de alimentação CC conectada à rede elétrica, aplicada a um sistema ferroviário de baixa potência, também chamado de ferrorama. Além disso, a automação das sinalizações presentes no ferrorama será apresentado.

2 Ferrorama

Para o desenvolvimento do projeto da fonte de alimentação ajustável, foi utilizado um ferrorama fabricado pela empresa Frateschi. O sistema conta com uma miniatura ferroviária, vagões, trilhos, controladores de direção e de velocidade e uma locomotiva. O conjunto, que é controlado pelo usuário, simula a operação de trens de carga, como ilustrado na Figura 1.

Figura 1 – Ilustração do trem elétrico e trilhos

O deslocamento dos vagões de trem é realizado por meio de um motor de corrente contínua contido no interior da locomotiva. Sua alimentação é realizada por meio dos trilhos, que possui condutores elétricos em sua extremidade. A energia destinada ao acionamento do motor CC provém de uma fonte de alimentação conectada à rede elétrica, com tensão de saída ajustável de 0 a 15 Volts. A fonte de alimentação, mostrada na Figura 2, possui uma chave seletora para mudança de direção dos vagões, sendo esta, responsável por inverter a polaridade da tensão aplicada no motor CC. Além disso   a fonte possui um potenciômetro para controlar manualmente a velocidade em que a locomotiva de desloca nos trilhos.

Figura 2 – Controlador de velocidade e direção da locomotiva fabricada pela Frateschi

Em um primeiro momento do trabalho, foi investigado o funcionamento da fonte de alimentação, e assim, verificou-se que esta é composta por um circuito elétrico como o representado na Figura 3. Na fonte é utilizado um transformador com derivação central, diodos retificadores, um transistor para controle da tensão de saída e um potenciômetro, além de resistores e um LED. Para este estudo, este circuito foi replicado em uma placa de ensaio e as formas de onda dos sinais de saída da fonte foram analisadas. Na situação em que o potenciômetro é ajustado em 50%, a tensão na saída apresenta a forma de onda mostrado na Figura 4 (a). Quando o potenciômetro é posicionado em 100%, a forma de onda da tensão na saída apresenta-se como na Figura 4 (b). Com o intuito de adaptar o funcionamento do ferrorama ao objetivo do trabalho, foi confeccionada uma nova fonte de alimentação, de forma a substituir a existente e, assim, atender aos requisitos propostos.

Figura 3 – Esquemático do circuito elétrico da fonte de alimentação

Figura 4 – Formas de onda da tensão com o potenciômetro de velocidade ajustado em 50% (a) e 100% (b)

3 Desenvolvimento

A metodologia deste trabalho foi dividida em quatro etapas. Na primeira, investigou-se o funcionamento do ferrorama e como o sistema poderia ser modificado de forma que a operação do trem fosse automatizada. Em seguida, projetou-se e construiu-se uma fonte de alimentação de corrente contínua que fornece energia para o sistema de controle, para o deslocamento da locomotiva e dos acessórios. O sistema que controla os acessórios e o movimento do trem é composto por um microcontrolador ATmega, um módulo bluetooth (BT) HC-05 e um circuito eletrônico. O módulo BT é utilizado para realizar a comunicação serial entre o Arduino e o smartphone que controlará o sistema.

Numa terceira etapa, foi desenvolvido um aplicativo para smartphone que permite o usuário comandar o sistema remotamente. Por fim, foram criados alguns acessórios que compõem a maquete desenvolvida, na qual está inserida a miniatura ferroviária. Estes acessórios estão integrados ao sistema de controle do Arduino. A Figura 5 apresenta um diagrama contendo os principais elementos do sistema.

Figura 5 – Diagrama de interligação dos elementos do projeto

3.1 Fonte de alimentação controlada

O desenvolvimento de uma fonte de alimentação se deu com o objetivo de ajustar a tensão de saída com a atuação de um microcontrolador. Para isso, foi construída uma fonte constituída por quatro estágios detalhadas abaixo e ilustrado na Figura 6.

(1) No primeiro estágio, um transformador reduz a tensão de 220V, proveniente da rede elétrica, para 18V.

(2) No segundo estágio, diodos retificadores convertem a corrente alternada em contínua, sem modificar significativamente os níveis de tensão.

(3) No terceiro estágio, um filtro capacitivo é utilizado para reduzir a oscilação de tensão (ripple) nos terminais de dois reguladores de tensão.

(4) Por fim, no quarto estágio, é empregada uma chave, que interrompe o fornecimento de energia ao sistema alimentado.

Um esquema simplificado do circuito elétrico é mostrado na Figura 7.

Figura 6 – Esquema dos estágios da fonte de alimentação

Figura 7 – Circuito elétrico esquemático da fonte de alimentação

A tensão fornecida ao motor CC é controlada por meio da modulação por largura de pulso (PWM) no qual varia de 0 a 12V. Um driver ponte H (TB6612FNG) é utilizado para realizar a inversão da polaridade da tensão destinada ao motor CC para que o trem se desloque em ambos os sentidos do sistema ferroviário. O sinal PWM é fornecido ao driver pelo Arduino. A Figura 8 apresenta o circuito implementado da fonte de alimentação e do circuito de controle.

Figura 8 – Fonte de alimentação implementada

3.2 Aplicativo para smartphone

O sistema desenvolvido permite que um usuário controle o sistema ferroviário por meio de uma aplicação para smartphone com Android, a qual foi desenvolvida na plataforma MIT App Inventor. Este aplicativo possui uma interface gráfica contendo botões para o controle de direção e velocidade da locomotiva, direção de desvio dos trilhos e acionamento da iluminação da maquete. O aplicativo utiliza a comunicação bluetooth do smartphone para realizar o envio das informações para o Arduino. A interface é apresentada na Figura 9.

Figura 9 – Tela do aplicativo para smartphone

3.3 Acessórios

Além de alimentar o motor da locomotiva, a fonte de alimentação construída também é utilizada para fornecer energia elétrica aos acessórios implementados na maquete, tais como iluminação, sinalização semafórica, acionamento de barreiras e controle de desvios dos trilhos. Assim como a locomotiva, os acessórios são controlados pelo microcontrolador. A Figura 10 apresenta uma imagem da maquete, contendo o sistema de controle, um semáforo e uma barreira.

Figura 10 – Maquete

4 Resultados e conclusões

Neste artigo, descreveu-se o projeto e a implementação de uma fonte de alimentação ajustável aplicada a um sistema ferroviário de baixa potência. Primeiramente, realizou-se o processo de engenharia reversa da fonte de alimentação disponível comercialmente, com o intuito de analisar o funcionamento do sistema ferroviário. Após, projetou-se uma nova fonte de alimentação na qual as variáveis de saída podem ser controladas através de um aplicativo de celular. Posteriormente, implementou-se a fonte desenvolvida em uma maquete. O objetivo de controlar a tensão de saída da fonte de alimentação foi satisfeito. Concluiu-se que a plataforma Arduino é uma ferramenta didática, que facilita o aprendizado sobre controle via Bluetooth e automação. Além disso, foi possível aplicar conhecimentos de eletrônica acerca de pontes retificadoras e reguladores de tensão. Como possíveis trabalhos futuros, aponta-se: implementação de desvios, iluminação inteligente, instalação de painéis fotovoltaicos e aplicação de um controle em malha fechada da tensão de saída.

Agradecimentos

Agradecemos a todos os professores envolvidos, que muito contribuíram para a realização deste trabalho. Também, à Universidade Federal de Santa Maria, que nos ofereceu os recursos necessários à implementação prática do projeto.

Referências

BANZI M, SHILOH M. Getting started with Arduino: the open source electronics prototyping platform. 3rd ed. Maker Media; 2014.

BOYLESTAD RL, NASHELSKY L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11st ed. São Paulo: Pearson; 2013.

BRAGA NC. Fontes de alimentação. 1st ed. São Paulo: NCB; 2013.

DAI B, CHEN R, YANG W. Using Arduino to Develop a Bluetooth Electronic Scale for Water Intake. 2016 International Symposium on Computer, Consumer and Control (IS3C); Xi'an; China. 2016; p. 751-754.

FLOYD TL,  BUCHLA D. Electronics fundamentals: circuits, devices & applications. Prentice Hall Press; 2009.

LIMA HOBBIES. Kit Meu 1° Trem Elétrico De Carga All Ho Frateschi [Internet]. [cited 2019 jul 16]. Available from: http://www.limahobbies.com.br/kit-meu-primeiro-trem-eletrico-de-carga-all-ho-frateschi-6520.

NATH S, BANERJEE P, BISWAS RN, MITRA SK, NASKAR MK. Arduino based door unlocking system with real time control. 2016 2nd International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I); Noida. 2016; p. 358-362.

ZULKIFLI AS, HUSSIN MN, SAAD AS. MATLAB-Arduino as a low cost microcontroller for 3 phase inverter. 2014 IEEE Student Conference on Research and Development. IEEE; 2014; p. 1-5.