Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e nat., Santa Maria, V. 42, Special Edition, e34, 2020
DOI: http://dx.doi.org/10.5902/2179460X40636
Received: 10/10/2019 Accepted: 10/10/2019
Special Edition
Projeto de uma Biruta Eletrônica Híbrida
Design of a Hybrid Electronic Wind Direction Sensor
Eliezer Oliveira CavalheiroI
Cleiton Anderson Trindade De CarvalhoII
Glauber Rodrigues De QuadrosIII
Silvana MaldanerIV
I Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - eliezer.cavalheiro@hotmail.com
II Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil
III Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - glauber.quadros@ufsm.br
IV Universidade Federal de Santa Maria - campus Cachoeira do Sul, Cachoeira do Sul Brasil - silvana.maldaner@ufsm.br
Resumo
A biruta é um instrumento meteorológico que indica direção dos ventos. Este instrumento é fundamental nas viagens marítimas e na aviação, pois pode evitar situações de emergência como tempestades causadas por uma direção particular do vento. Assim, neste trabalho propõe-se desenvolver uma biruta eletrônica empregando um módulo encoder rotativo e LEDS infravermelho. Para o desenvolvimento do projeto da biruta foi utilizado um microcontrolador Arduino programado em c++. O sistema híbrido projetado converte as rotação em sinal elétrico. Estes sinais foram associados às orientaçẽs leste, oeste, norte e sul. O sensor projetado apresentou menor probabilidade de erro na informação da direção do vento quando comparado com a biruta que emprega LED Infravermelho de 5mm.
Palavras-chave: Biruta; Direção do vento; Sistema híbrido
Abstract
The windsock is a meteorological instrument that indicates wind direction. This instrument is critical in sea travel and aviation and this sensor can prevent accidents in emergency situations such as storms caused by a particular wind direction.hus, in this work it is proposed to develop an electronic windsock using a rotary encoder module and infrared LEDS. For the development of the Wind Direction Sensor project an Arduino microcontroller and c ++ language were used. The engineered hybrid system converts the rotations into an electrical signal. These signals were associated with east, west, north and south orientations. The projected sensor presented a lower probability of error in the wind direction information when compared to the windsock that employs 5mm Infrared LED.
Keywords: Windsock; Wind direction; Hybrid system
1 Introdução
A caracterização dos regimes de vento é dada pela velocidade e direção do vento ao longo do tempo. A grande importância do conhecimento da circulação atmosférica local, mas precisamente da direção do vento, está associada a questões de segurança e prevenção. Como exemplos do uso da informação da direção do vento pode ser mencionada o uso na aterrissagem e decolagem de aviões, para orientação de controladores de tráfego aéreo, para uso de meteorologistas em suas previsões, além de permitir a previsão do sentido de propagação do fogo em casos de incêndio. Do ponto de vista prático, a direção dos ventos é determinada a partir do seu ponto de origem como norte (N), nordeste (NE), noroeste (NO ou NW), sul (S), sudeste (SE), sudoeste (SO ou SW), leste (E) e oeste (O ou W) (MANZERA, 2017).
Para determinar qual é a direção do vento, empregam-se instrumentos meteorológicos denominados birutas ou cataventos. Existem dois tipos de birutas, as convencionais e as eletrônicas. Nas convencionais, a direção do vento é obtida por meio de observações visuais. Estes sensores convencionais são constituídos, na maioria das vezes, por um cone de tecido flexível aberto nas duas extremidades de modo que o fluxo de ar que entra no cone orienta o cone na direção do vento (DALLA COSTA, 2013). Já as birutas eletrônicas apresentam um sistema automatizado de coleta de dados. As medidas de direção dos ventos são realizadas em graus, para o norte 0° ou 360° , para o nordeste 45°, o leste 90°, sudeste 135°, sul 180°, sudoeste 225°, oeste 270° e noroeste 315°(MANZERA, 2017). Cabe ressaltar que poder caracterizar o regime de vento é necessário medidas instantâneas da direção do vento. Como são pouca as estações existentes em regiões do interior do país, neste trabalho busca-se propor uma biruta eletrônica empregando um módulo encoder rotativo.
2 Materiais e Métodos
Para a construção da biruta eletrônica foi empregado uma placa Arduino Mega 2560, um sensor Encoder Decoder KY-040 Rotacional, um LED Emissor 5mm e um fototransistor Infravermelho (IR) e alguns resistores de controle de corrente elétrica.
2.1 Descrição do material utilizado na construção da biruta
Arduino: A placa Arduino Mega 2560 é uma placa que possui o processador ATmega2560. A tensão de operação é 5V, a placa possui 54 portas digitais, 16 portas analógicas. A velocidade de operação é de 16MHz, a memória interna SRAM é de 8kB, a memória EEPROM é de 4kB (FILIPEFLOP, 2019). Do ponto de vista teórico, o Arduino é uma plataforma livre que utiliza um microcontrolador embarcado um processador ATmega2560, contendo uma memória interna onde pode ser armazenado um algoritmo em C++. O arduino é composto por portas analógicas e por portas digitais. As portas digitais trabalham em nível lógico alto e baixo. Os níveis altos estão associados 5V e os níveis baixos a 0V. A tensão de alimentação do arduino é de 7V a 12V sobre o pino Vin para a placa Arduino MEGA 2560. A Figura 1 ilustra a placa Arduino Mega 2560.
Figura 1 – Placa Arduino Mega 2560
Sensor Encoder Decoder KY-040 Rotacional: O sensor KY-040 rotacional, na Figura 2, converte movimento rotacional em pulsos elétricos. Cada rotação equivale a um número exato de pulsos, garantindo exatidão do funcionamento do sensor, pois uma rotação gera exatos trinta pulsos (FILIPEFLOP, 2019). A ligação do módulo KY-040 à placa arduino é demonstrada na Figura 3. Nesta figura, observa-se que a ligação do sensor KY-040 é realizada pelas portas digitais 7 e 8 do Arduino.
Figura 2 – Placa Sensor Encoder Decoder KY-040 Rotacional
Figura 3 – Ligação do sensor KY-040 ao Arduino
LED infravermelho: O LED emissor infravermelho IR 5mm tem a função de emitir sinal para um sensor receptor infravermelho. O LED infravermelho é empregado junto a um disco encoder Figura 4. Este disco com seus dentes bloqueia o sinal do LED emissor, este bloqueio gera uma variação de sinal e consequentemente, obtém-se a contagem dos pulsos pela passagem de luz. A Figura 5 representa a ligação dos LEDs na placa Arduino. Esta ligação é realizada por meio de portas digitais.
Figura 4 – Disco encoder
Figura 5 – Esquema de ligação dos LEDs com o Arduino
Protótipo de biruta com o uso do Sensor Encoder Decoder KY-040 Rotacional: Na Figura 6, como pode ser observado a presença do KY-040 na parte inferior da biruta. O seu funcionamento ocorre a partir da contagem de pulsos gerados pelo encoder rotativo. Como para cada volta completa trinta pulsos são gerados, considerou-se que uma volta completa, ou seja 30 pulsos equivalem a 360° e isso é igual a zero no algoritmo. Quando a biruta rotacionar no sentido anti-horário e completar uma volta teremos -30 pulsos, identificando o sentido da rotação. Com base na informação de que são 30 pulsos por volta, definiu-se que quando o algoritmo resulta em 0 estamos ao Norte, 8 ou -23 a Leste, 15 ou -15 a Sul e -8 ou 23 a Oeste. Ao utilizar a biruta é necessário orientar o protótipo em relação a posição do Norte e isso pode ser feito empregando uma bússola.
Protótipo de biruta com o uso de LEDs infravermelho: Na Figura 7 pode ser observado a presença de LEDS e do disco dentado na parte superior. A biruta foi construída com os dois sistemas de funcionamento integrado, na parte superior os LEDs e na parte inferior o KY-040. O registro do Norte, Sul, Leste e Oeste é realizado da maneira descrita acima, com Norte, 8 ou -23 a Leste, 15 ou -15 a Sul e -8 ou 23 a Oeste.
Figura 6– Encoder Decoder KY-040 Rotacional
Figura 7– LEDs infravermelho disco encode
3 Resultados e Discussões
O principal resultado deste trabalho é ilustrado na Figura 8, é o protótipo da biruta. A biruta construída empregando o Sensor Encoder Decoder KY-040 Rotacional resulta num sinal que gera uma onda quadrada quase perfeita. Esta exatidão na forma da onda permite uma leitura mais precisa do sinal enviado para o microcontrolador, este foi o ponto positivo encontrado ao construir este protótipo. Entretanto, o desgaste mecânico dos componentes pode vir a ser um aspecto negativo deste protótipo de biruta. Por outro lado, a biruta empregando os LEDS infravermelho resulta numa onda com ruído, implicando na dificuldade de leitura do sinal gerado e isso implica em incertezas na direção do vento. Entretanto, este ruído pode vir a ser corrigido numericamente no algoritmo desenvolvido e enviado à memória interna do microcontrolador.
Figura 8 – Protótipo da biruta construída
4 Conclusões
Com a construção da biruta, empregando dois métodos de medições da direção do vento, pode-se observar que o método que utiliza o módulo KY-040 apresentou os melhores resultados. Entretanto, este resultado não é conclusivo, pois um estudo numérico detalhado do módulo empregando LEDs poderia vir a gerar menos incertezas nas medições de direção do vento. Além disso, neste trabalho não foi realizado um estudo do desgaste mecânico do módulo Ky-040. Desta forma, sugere-se estudos mais aprofundados tanto do emprego dos LEDs quanto do Encoder KY-040.
Agradecimentos
Agradecimentos especiais à FAPERGS e ao Programa Institucional de Voluntário em Iniciação Científica PIVIC - UFSM.
Referências
FILIPEFLOP. Encoder Decoder KY-040 Rotacional. [internet] 2019 [cited 2019 ago 12] Available from: https://www.filipeflop.com/produto/encoder-decoder-ky-040-rotacional/
FILIPEFLOP. LED Emissor Infravermelho IR 5mm. [internet] 2019 [cited 2019 ago 12] Available from: https://www.filipeflop.com/produto/led-emissor-infravermelho-ir-5mm/
ARDUINO. Alimentação 12V no Arduino.[internet] 2019 [cited 2019 ago 12] Available from: https://forum.arduino.cc/index.php?topic=377304.0
MANZERA E. Construção de uma biruta e de um anemômetro..[internet] 2019 [cited 2019 ago 12] Available from: nead.pro.br/.../01-Construcao-de-uma-biruta-e-de-um-anemometro.pdf