“Máquina de Venda Automática de Macarrão Instantâneo”

Centro Estadual de Educação Tecnológica Paula Souza
GOVERNO DO ESTADO DE SÃO PAULO
Etec “JORGE STREET”
TRABALHO DE CONCLUSÃO DO CURSO TÉCNICO EM AUTOMAÇÃO
INDUSTRIAL
“Máquina de Venda Automática de Macarrão Instantâneo”
Bruna de Souza Casarregio
Fabrício Freire Esteves
Geraldo Bento da Silva Filho
Paulo Ramires Tomaz
Rogério Veloso
Professor(es) Orientador(es):
Vinícius Peruzzi
São Caetano do Sul / SP
2014
“Máquina de Venda Automática de Macarrão Instantâneo”
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado como pré-requisito para
obtenção do Diploma de Técnico em
Automação Industrial.
São Caetano do Sul / SP
2014
Avaliação: ________________
Nome e Assinatura do(s) professor (es) responsável(is):
Dedicamos esse trabalho aos nossos pais e as
nossas famílias e amigos, pelo apoio ao nosso
projeto.
AGRADECIMENTOS
A todos aqueles de alguma forma ajudaram a semear, cultivar e colher os frutos
desses anos de curso.
RESUMO
As primeiras máquinas de venda automática operadas por moedas eram
encontradas em Londres e que dispensavam cartões postais. Atualmente, as
Vending Machines oferecem uma ampla variedade de itens acessíveis ao público,
desde chocolates à livros. A ideia do nosso projeto é lançar um novo item por meio
dessa máquina, o macarrão instantâneo. A questão é se todas as pessoas possuem
tempo e disponibilidade para uma refeição em casa. A resposta é não. Uma máquina
que prepara o macarrão instantâneo é uma tendência que levará ao público
praticidade na compra e na preparação de um alimento. Esse feito exige um
processo automatizado, desde a simples escolha do sabor até o mais complexo
processo de preparo do macarrão.
O projeto foi finalizado, mas ocorreram alguns imprevistos depois da construção do
protótipo, alguns aspectos ainda estão em desenvolvimento.
Palavras-chave: Vending Machine, processo automatizado, macarrão instantâneo.
ABSTRACT
The first vending machines operated by coins were found in London and dispensed
postcards. Currently, Vending Machines offer a wide variety of items accessible to
the public, from books to chocolates. The idea of our project is to launch a new item
through this machine, instant noodles. The question is whether all people have the
time and availability to a meal at home. The answer is no. A machine that prepares
the noodles is a trend that will lead to the public convenience in the purchase and
preparation of food. This achievement requires an automated process, from the
simple choice of flavor to the more complex process of preparing the noodles.
The project was completed, but some unexpected after the construction of the
prototype, some aspects are still in development occur.
Keywords: Vending Machine, automated process, instant noodles.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Metódica Geral de Projeção Núcleo Design ............................................. 13
Figura 2 – Interação do usuário com uma máquina de venda automática de livros .. 14
Figura 3 – Circuito multifilar da resistência ................................................................ 19
Figura 4 – Circuito multifilar da ventilação ................................................................. 20
Figura 5 – Diagrama de blocos representativo do esquema elétrico utilizado neste
projeto ....................................................................................................................... 21
Figura 6 – Módulo de Relés 5v com 8 canais............................................................ 24
Figura 7 – Painel ....................................................................................................... 26
Figura 8 – Diagrama de blocos representativo do esquema eletrônico utilizado neste
projeto ....................................................................................................................... 27
Figura 9 – Uso do eixo com duas rodas como atuador desenhado em 3D ............... 31
Figura 10 – Ideia inicial para queda e furação dos copos desenhado em 3D ........... 31
Figura 11– Esquema de ligação de sensores de nível e bomba à contatora para
controle automático de nível mínimo e máximo do reservatório ................................ 36
Figura 12 – Planejamento inicial para o sistema hidráulico representado em 3D ..... 38
Figura 13 – Quadro da estrutura ............................................................................... 40
Figura 14 – Confecção dos Tubos ............................................................................ 41
Figura 15 – Confecção do Funil ................................................................................ 43
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Número de habitante por vending machine ............................................. 10
Tabela 2 – Número habitante por vending machine no Brasil ................................... 10
Tabela 3 – Custo dos componentes Elétricos ........................................................... 22
Tabela 4 – Custo dos componentes Eletrônicos ....................................................... 28
Tabela 5 – Custo dos componentes Mecânicos ........................................................ 32
Tabela 6 – Custo dos componentes Hidráulicos ....................................................... 39
Tabela 7 – Custo da Estrutura................................................................................... 44
Tabela 8 – Custo Contabilizado da Máquina ............................................................. 45
Sumário
1.
INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 9
2.
JUSTIFICATIVA ................................................................................................. 10
3.
OBJETIVOS ....................................................................................................... 11
4.
METODOLOGIA................................................................................................. 12
5.
PESQUISA ......................................................................................................... 12
6.
CONSTRUÇÃO DO MODELO ........................................................................... 13
6.1 Alimentação dos Circuitos ............................................................................ 14
6.2 Rede Convencional ...................................................................................... 14
6.3 Fonte chaveadas .......................................................................................... 15
6.4 Resistência e Termostato ............................................................................. 15
6.5 Sistema de Ventilação................................................................................ 205
7.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .......................................................................... 16
8.
DESENVOLVIMENTO E CONSTRUÇÃO .......................................................... 17
8.1 Elétrica ................................................................................................................ 18
8.1.1 Alimentação dos Circuitos ......................................................................... 18
8.1.1.1 Rede Convencional ......................................................................... 18
8.1.1.2 Fonte chaveadas ........................................................................... 188
8.1.2 Resistência e Termostato .......................................................................... 19
8.1.3 Sistema de Ventilação............................................................................... 20
8.1.4 Diagrama em Blocos do esquema Elétrico ............................................... 21
8.1.5 Custos do Esquema elétrico...................................................................... 22
8.2 Eletrônica ............................................................................................................ 23
8.2.1 Interface de Potência ................................................................................ 24
8.2.2 Validador de Moedas ................................................................................ 25
8.2.3 Painel de funções ...................................................................................... 26
8.2.4 Diagrama em Blocos do esquema Eletrônico ........................................... 27
8.2.5 Custos do Esquema Eletrônico ................................................................. 28
8.3 Mecânica ............................................................................................................. 29
8.3.1 Motores Elétricos....................................................................................... 29
8.3.1.1Motor de Queda ............................................................................... 29
8.3.1.2Motor de Furação ............................................................................. 30
8.3.2 Ideia Inicial para a queda do copo............................................................. 30
8.3.3 Custos do Esquema Mecânico .................................................................. 32
8.4 Hidráulica ............................................................................................................ 33
8.4.1 Reservatório de Distribuição ..................................................................... 33
8.4.2 Reservatório de Aquecimento (Caldeira) .................................................. 34
8.4.3 Retorno do vapor....................................................................................... 34
8.4.4 Comando automático da Bomba ............................................................... 34
8.4.5 Funcionamento do comando automático da bomba .................................. 35
8.4.6 Válvula Solenoide...................................................................................... 37
8.4.7 Ideia Inicial para o esquema Hidráulico ..................................................... 38
8.4.8 Custos do Esquema Hidráulico ................................................................. 39
9.
Estrutura ............................................................................................................. 40
9.1 Tubos Confeccionados................................................................................. 41
9.2 Guias de Barra Roscada .............................................................................. 42
9.3 Funil Confeccionado..................................................................................... 43
9.4 Cofre ............................................................................................................ 44
9.5 Revestimento ............................................................................................... 44
9.6 Custos da Estrutura...................................................................................... 44
10. CustoTotal .......................................................................................................... 45
11. Diretrizes ............................................................................................................. 46
11.1 Local de Instalação .................................................................................... 46
11.2 Segurança .................................................................................................. 46
11.3 Manutenção................................................................................................ 46
12. RESULTADOS OBTIDOS .................................................................................. 47
13. CONCLUSÃO .................................................................................................... 47
APÊNDICE ................................................................................................................ 48
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 61
9
1. Introdução
A praticidade é sempre um dos principais conceitos que são levados em
consideração quando se pensa na rotina agitada de pessoas que estudam e
trabalham, em geral, que muitas vezes não possuem disponibilidade de tempo,
a máquina de venda automática tem como maior qualidade auxiliar no tempo.
Essas máquinas são itens de conforto extra, cada vez mais difundidos, pois,
com ela é possível obter acesso a produtos com mais praticidade e facilidade,
além de ter uma variedade de opções acessíveis ao público. Com essa
variedade de itens de fácil acesso, surgiu a ideia de lançar um produto já
conhecido na área alimentícia, o macarrão instantâneo (Cup Noodles), e
introduzi-lo numa máquina de venda automática.
A ideia principal é levar ao público algo novo e experimental, novas opções
com objetivo de poupar tempo na compra e no preparo do alimento. O projeto
de um modelo de máquina de macarrão instantâneo é fazer com que tudo
aquilo que é de uso pessoal seja compartilhado.
Neste projeto, também foi proposta a implementação de uma franquia, as
máquinas de venda automática de macarrão instantâneo serão implantadas em
estações de metrô, hospitais, aeroportos, universidades, escolas entre outros.
Nos próximos capítulos é feito um estudo do desenvolvimento do projeto desde
a justificativa e os objetivos do projetos, a metodologia utilizada até passo a
passo da construção e desenvolvimento do protótipo. A construção é dividida
em quatro partes: elétrica, eletrônica, mecânica e hidráulica.
10
2. Justificativa
Atualmente as máquinas de venda expressa tornaram-se frequentes,
principalmente em locais, como estações de metrô, aeroportos, escolas, entre
outros. Porém no Brasil, estes tipos de maquinários resumem-se a vender
basicamente produtos prontos para o consumo, com exceção do café
expresso. A máquina de macarrão possibilitará que a venda do produto não
seja o único item a ser comercializado, pois haverá a venda de seu serviço, o
preparo do alimento.
Em outros países essas máquinas operam nas mais variadas categorias. O
mercado mundial de máquinas de venda automática (vending machines) é
cada ano maior, basta olhar os números existentes em países como Estados
Unidos, Japão e Alemanha. Estima-se que o faturamento anual já chegue a
250 bilhões de dólares, como mostra a tabela 1.
Tabela 1- Número de habitante por vending machine:
País
Habitante Crescimento Médio/ano
Japão
48
2%
Estados Unidos 90
3%
Alemanha
5%
401
Fonte: http://www.ehow.com/facts
As vending machines proporcionam agilidade, higiene e muitas outras
vantagens ao sistema, já reconhecidas pelos consumidores. A tabela 2 mostra
as maquinas de venda expressas no mercado brasileiro.
Tabela 2- Número habitante por vending machine no Brasil:
País
Habitante/máquina Crescimento anual estimado
Brasil 4150
10%
Fonte: http://www.ehow.com/facts
11
3. Objetivos
Objetivo Geral
Projetar uma máquina de venda automática de macarrão instantâneo (Cup
Noodles).
Objetivos Específicos
 Verificar os materiais envolvidos na fabricação da máquina.
 Pesquisar as necessidades ergonômicas envolvidas no uso da máquina.
 Pesquisar métodos técnicos para construção do modelo.
12
4. Metodologia
Para melhor desenvolvimento desse projeto, o trabalho foi dividido em duas
fases. A primeira fase se dá através da pesquisa bibliográfica. Através dela é
feito um levantamento bibliográfico sobre máquinas de venda automáticas.
Essa fase tem como objetivo obter uma amostragem do panorama atual das
máquinas de venda automática no cenário brasileiro. Este capítulo se
concentrará nas vantagens e serviços de uma máquina automática de
macarrão instantâneo. A segunda fase se compõe da construção do modelo.
5. Pesquisa
A pesquisa bibliográfica é realizada pela leitura e análise de artigos, com o
propósito de coletar e interpretar dados e fontes. A união dessas informações
provém das áreas de venda e comercialização por meio de máquinas de venda
automática. Parte dessa primeira etapa se concentra no estudo dos benefícios
do produto, posição do produto no mercado e análise ergonômica.
Com base no estudo e verificação dessas condições, é possível identificar as
demandas existentes para a realização do projeto, tornando clara a importância
do
assunto
tratado
nesta
monografia.
13
6. Construção do modelo
Para o desenvolvimento do presente trabalho será utilizada a Metódica Geral
de projetação do Núcleo Design.
Segundo Sperb (2011), a Metódica Geral de Projeção do Núcleo Design é
formada por quatro etapas (Entender, Definir, Projetar e Modelar) juntamente
com a quinta etapa Testar - integrante em todos os momentos do projeto - para
a construção do trabalho. Cada etapa apresenta sua etapa de desenvolvimento
de projeto, sendo estas responsáveis para as fases seguintes. A etapa central
(Testar) permite a constatação das ideias nas fases.
Na figura 1 está a visão geral da Metódica.
Figura 1 – Metódica Geral de Projeção Núcleo Design
Desta forma, ao se analisar a figura 1, pode-se compreender os seguintes
termos “Entender” e “Definir” da seguinte forma:
14
6.1 Entender
Esta fase compreende a análise do cenário atual dentro do tema, do objeto e
da relação dos usuários com o mesmo, no caso do presente projeto, a
interação entre o público e as máquinas de venda automática, o que envolve a
parte ergonômica do projeto e o lucro de franquias.
6.2 Definir
A fase Definir se relaciona diretamente com a ideação de soluções para o
cenário detectado na fase anterior, se materializando na forma de geração de
alternativas e propostas de soluções para os problemas detectados na fase
anterior. Ou seja, o projeto deve ser estudado para atender melhor os usuários,
tanto na facilidade em utilizar a máquina, quanto à segurança que a mesma
proporciona ao usuário. Ambos requisitos contribuem para o lucro do produto.
A seguir está ilustrada na figura 2 um exemplo simples de interação de um
usuário com uma máquina automática de venda de livros.
Figura 2 – Interação do usuário com uma máquina de
venda automática de livros
15
6.3 Projetar
Nessa etapa é dado o detalhamento do projeto, contendo sua configuração
visual final. Esta etapa também tem como foco a validação dos conceitos
trabalhados até o momento. A partir do estudo e definição do projeto, o mesmo
passa a sair do papel por assim dizer. Essa fase tem como objetivo a
construção do modelo e funcionamento, o que inclui a mecânica do processo e
os circuitos funcionais vitais para o uso automático da máquina.
6.4 Modelar
Nesta fase se dá a medição dos resultados obtidos e no refino do projeto após
a implementação do mesmo, de forma a aperfeiçoar e corrigir suas falhas. E
assim também melhorar a parte estética do projeto o tornando mais agradável
visualmente.
6.5 Testar
Fase central que engloba todas as outras etapas da metódica, uma vez que
permite a validação das propostas apresentadas.
16
7. Fundamentação Teórica
A construção e desenvolvimento do projeto foram executados a partir das
pesquisas feitas e dos dados analisados. A máquina, que foi dividida em quatro
partes, começa a ser desenvolvida pelo estudo morfológico, ou seja, as
principais partes do projeto: elétrica, eletrônica, hidráulica e mecânica. Para o
estudo e desenvolvimento de cada um desses membros foi utilizado um
padrão, para facilitar a projeção da máquina, foi pensado em modelos no qual
se tornam base de funcionamento.
Como por exemplo, uma vending de café expresso, que possui um sistema
hidráulico propício para um melhor funcionamento da máquina. Além do
sistema hidráulico, a máquina de café possui um sistema de resistência para
aquecer a água na temperatura certa para preparar o café. Outra base que
contribuiu para a evolução da vending machine de macarrão instantâneo foram
alguns detalhes de outras máquinas de venda automática, como ventilação e
esquema de pagamento. Pensando sempre em facilitar o funcionamento e
modo
de
operação
da
máquina.
17
8. Desenvolvimento e Construção
Como citado no capitulo anterior, para melhor definição e projeção da máquina,
o projeto foi dividido em quatro partes ou membros: Elétrica, Eletrônica,
Mecânica e Hidráulica. Nos capítulos seguintes estão passo a passo dessa
construção, dos componentes e circuitos envolvidos.
18
8.1 Esquema Elétrico
No processo de automação temos a demanda por componentes elétricos,
eletromecânicos,
eletroeletrônicos,
que
executam
todos
os
processos
programados para atender a produção definida. Deste modo, seguiremos
descrevendo os componentes utilizados neste projeto e entrando em detalhes
nos itens relevantes a este trabalho.
8.1.1 Alimentação dos Circuitos
A tensão de trabalho sugerida foi de 127Vca e a corrente máxima de 25A. O
circuito elétrico trabalha com três diferentes tensões que foram empregadas
neste projeto.
8.1.1.1
Rede Convencional
A máquina conta com a rede convencional de 127Vca para fazer com que as
outras fontes de tensão sejam alimentadas, além de alimentar uma contatora
no processo de comando automático de uma bomba de água. Seu
funcionamento ocorre a partir de um interruptor liga/desliga que fica localizado
na parte posterior do modelo, fora do alcance do usuário, como sistema de
segurança para energizar e desenergizar a máquina.
8.1.1.2
Fonte chaveada
A fonte de 12Vcc e a de 5Vcc são responsáveis por alimentar o validador de
moedas, os sensores, os atuadores elétricos e o controle do processo (que é
realizado através da utilização de um dispositivo eletrônico denominado de
microcontrolador).
19
8.1.2
Resistência e Termostato
Para o aquecimento do macarrão, a máquina vai disponibilizar de um sistema
de aquecimento, o que envolve principalmente uma resistência blindada que
fica imersa numa caldeira de inox e que opera com uma tensão de 127Vca,
além de um termostato analógico que trabalha com uma tensão máxima de
220Vca.
A resistência é ligada em série com o termostato. A fase é conectada à um dos
terminais do termostato, o outro terminal é ligado na resistência e o segundo
terminal da resistência vai para o neutro. O termostato funciona como um
interruptor e trabalha com uma temperatura mínima e uma temperatura
máxima, assim quando a água atingir uma temperatura de 100°C o mesmo
interrompe a passagem de corrente no circuito, desligando a resistência.
Quando a temperatura da água abaixar chegando aos 90°C o termostato fecha
novamente o contato dando inicio a um novo ciclo. Isto é ilustrado a seguir na
figura 3.
Figura 3 – Circuito multifilar da resistência
O esquema de resistência adotado nesse projeto trabalha de forma
independente. Mas, o interruptor da máquina pode ser ligado apenas se a
caldeira estiver com uma quantidade razoável de água para encobrir a
resistência.
20
8.1.3 Sistema de Ventilação
Como já citado no tópico acima, a máquina possui um sistema de aquecimento,
por esse motivo e por questão de segurança houve a necessidade de instalar
um sistema de ventilação para não sobreaquecer a máquina e os circuitos
internos da mesma. E para resolver esse suposto problema, um cooler e um
filtro de ar são implantados na parte posterior da máquina evitando danos por
aquecimento nos circuitos do modelo. O cooler trabalha com uma tensão de
127Vca e opera independente das outras funções da máquina, ou seja, quando
o interruptor liga/desliga for acionado o cooler liga e somente desliga quando o
interruptor for desacionado. Isto é ilustrado a seguir na figura 4.
Figura 4 – Circuito multifilar da ventilação
Através da figura podemos ver que a fase da rede elétrica é ligada a um
interruptor, o retorno da fase é conectado a um dos fios do cooler, e o neutro
da rede elétrica é ligado ao segundo fio do cooler.
21
8.1.4 Diagrama em Blocos do esquema Elétrico
A seguir, a figura 5 ilustra o diagrama de blocos representativo do esquema
elétrico utilizado neste projeto.
Figura 5 - Diagrama de blocos representativo do esquema elétrico
utilizado neste projeto
Neste diagrama pode-se notar as fontes de alimentação utilizadas no projeto e
a função de cada uma.
22
8.1.5 Custos do Esquema elétrico
A tabela 3 ilustrada a seguir mostra de forma resumida os preços dos
principais componentes utilizados no esquema elétrico. Entre outros se
encontram os fios, as réguas e os bornes.
Tabela 3- Custo dos componentes elétricos
23
8.2 Esquema Eletrônico
Um dos fatores significativos para o funcionamento da máquina é a parte
eletrônica, automatizando o processo e facilitando os meios de otimização. Um
dos componentes essenciais para esse processo é o microcontrolador 8051,
ele é responsável por identificar as entradas e saídas, e mandar o sinal aos
seus respectivos lugares, ou seja, ele é o elemento mais importante do
processo de automação.
O microcontrolador vai receber pulsos do validador de moedas, do painel (os
botões referentes aos sabores), e chaves fim-de-curso. Esses pulsos chegam
aos ports de entrada de acordo com uma programação.
O microcontrolador também é o responsável por enviar sinais de 5 Vcc para
alguns componentes, que no caso necessitam de uma interface de potência.
24
8.2.1 Interface de Potência
A interface de potência é responsável pelo acionamento da bobina do relé, pois
a corrente que é emitida pelo microcontrolador não é o suficiente para gerar um
campo eletromagnético e fazer com que seus contatos fechem em caso de NA
(normalmente aberto) ou abram em caso de NF (normalmente fechado).
A figura 6 abaixo é uma ilustração da interface de potência ou módulo de relé
utilizado neste projeto.
Figura 6 – Módulo de Relés 5v com 8 canais
Esta interface citada acima recebe um sinal do microcontrolador em cada
entrada de relé que será utilizada.
25
8.2.2 Validador de Moedas
O validador de moedas ou moedeiro é um dispositivo mecânico dotado de uma
entrada para moedas, um cabeçote que faz a identificação da moeda recebida
e a direciona para um local previamente programado. Esse equipamento é
programado para aceitar moedas de R$1,00.
A leitura do valor da moeda é feito por sensores que avaliam peso, diâmetro,
tipo de material metálico e espessura. Grandes variações nesses parâmetros
fazem com que o equipamento não aceite outras moedas moeda.
O terminal de saída do validador de moedas é conectado à uma das entradas
do microcontrolador, quando a moeda é inserida, o validador envia um pulso
negativo ao microcontrolador. O valor do produto é determinado pela
programação assembly, após o valor total ser inserido o próximo passo da
programação é liberar o painel para escolha do macarrão, caso contrário, a
programação espera o valor ser inserido.
Após a moeda se aceita pelo validador, ela passa por uma canaleta até chegar
ao cofre, este por sua vez, deve ser esvaziado de acordo com a venda do
produto.
26
8.2.3 Painel de funções
O painel de funções é composto por um LCD de 16 x 2 linhas e 6 push buttons
de material metálico.
O LCD tem como função indicar ao usuário o andamento do pedido. Os botões
servirão para a escolha o sabor do macarrão. Ele gera o pulso de nível alto
para o microcontrolador, este, por conseguinte, aciona o motor elétrico
equivalente ao motor escolhido.
O painel se localiza na parte frontal da máquina do lado direito, e é móvel para
facilitar a manutenção.
Figura 7 – Painel
27
8.2.4 Diagrama em Blocos do esquema Eletrônico
A seguir, a figura 8 ilustra o diagrama de blocos representativo do esquema
eletrônico utilizado neste projeto.
Figura 8 - Diagrama de blocos representativo do esquema eletrônico
utilizado neste projeto
28
Este diagrama mostra primariamente as fontes que alimentam os circuitos e
secundariamente mostra o microcontrolador e os componentes no qual o
mesmo controla.
8.2.5 Custos do Esquema Eletrônico
O kit CPU inclui um microcontrolador 8051, que controla os processos
mecânico, elétrico e eletrônico da máquina.
O custo para o esquema eletrônico inclui os componentes citados abaixo na
tabela 4.
Tabela 4 - Custo dos componentes eletrônicos
29
8.3 Mecânica
A parte mecânica é basicamente a queda do copo de macarrão. Onde são
utilizados tubos de ferro, guias de barra roscada, funil confeccionado (ambos
fazem parte do tópico estrutura), solenoides e motores de passo.
8.3.1 Motores Elétricos
Os motores utilizados trabalham com uma tensão de 12V DC/5A e possuem
duas funções distintas. Seis dos sete motores fazem parte da escolha do
sabor, e o último motor faz o furo no copo do macarrão para inserir a água.
O motor possui um atuador inicialmente acionado, quando receber um pulso de
nível alto do microcontrolador o atuador deve retrair e por meio de uma mola o
mesmo retorna a sua posição inicial.
8.3.1.1
Motor de Queda
Os motores utilizados para queda do copo funcionam do seguinte modo,
quando recebe um sinal do microcontrolador através de uma interface de
potência, o atuador que segura a aba do copo, retrai a mola, quando esta
retrai, um copo cai, assim a mola volta a sua posição inicial fazendo o atuador
segurar o próximo copo.
Além do atuador do próprio motor, há também uma espécie de garra de PVC
que se ajusta ao diâmetro do copo.
30
8.3.1.2
Motor de Furação
O motor de furação tem como função levar o atuador (um canudo de alumínio)
até a boca do copo lacrado. Uma das pontas do canudo possui um corte
transversal para facilitar a furação do lacre.
Após o copo chegar a posição correta, acionando um sensor fim-de-curso, o
motor, que está numa posição em diagonal e instalado na parte posterior do
funil, empurra o canudo até o lacre do copo. Isso ocorre por meio da
programação, que determina o tempo que a solenoide ficará energizada, assim
enquanto é injetada a água no copo o motor está com o atuador avançado.
Depois de passar 30 segundos, a vazão da água é suspensa e o atuador
retorna à sua posição inicial.
8.3.2 Ideia Inicial para a queda do copo
A ideia inicial do grupo para fazer a queda dos copos era utilizar motores de
passo para os seis sabores. Os copos ficariam empilhados na prateleira e o
motor de passo moveria um eixo com duas rodas que empurraria o primeiro
copo.
As figuras 9 e 10 ilustram essa situação.
Essa ideia se tornou inviável pelos seguintes motivos:
 Alto custo para o projeto;
 Dificuldade na programação;
 Necessitaria o uso de dois microcontroladores (8051) no projeto.
Por haver esses problemas que causaria dificuldades na projeção da máquina,
o grupo optou por procurar uma solução mais viável.
31
Figura 9 – Uso do eixo com duas rodas como atuador desenhado
em 3D
Figura 10 – Ideia inicial para queda e furação dos copos
desenhado em 3D
As figuras acima são desenhos em 3D de como seria a queda do copo
inicialmente.
32
8.3.3 Custos do Esquema Mecânico
O material utilizado para confeccionar as garras foi adquirido por um dos
integrantes do grupo, por esse motivo não foi contabilizado. O custo resumido
para o esquema mecânico inclui os componentes citados abaixo na tabela 5.
Tabela 5 - Custo dos componentes mecânicos
33
8.4 Hidráulica
A estrutura hidráulica da Máquina de Macarrão instantâneo consiste em: um
reservatório de distribuição, um reservatório de aquecimento eléctrico, uma
bomba de água, mangueiras de plástico e de silicone, sensores de nível, um
filtro de água, uma válvula solenoide e uma contatora.
8.4.1 Reservatório de Distribuição
O reservatório de distribuição é efeito em acrílico transparente, vedado com
uma tampa. Tem uma capacidade máxima de 8 litros, contendo uma boia
mecânica em seu interior. Essa boia está conectada diretamente na rede de
água, onde contém sais insolúveis, que causam o acúmulo de depósitos de
calcário
no
resevatorio
e
em
outras
partes
da
máquina.
Com o filtro de água torna possível eliminar ou reduzir a presença desses
calcários. Por esta razão, é necessário instalar um filtro da rede hidráulica para
o reservatório e após certo período de uso é muito importante efetuar a troca
do filtro dentro do prazo estabelecido pelo fornecedor.
A capacidade máxima do reservatório depende da boia, que faz o controle de
vazão da rede para o reservatorio. E a distribuição de água para a caldeira
passa por uma mangueira de plástico conectada entre o reservatório de
distribuição e a entrada da bomba, e entre a saída da bomba e a conexão de
entrada da caldeira.
34
8.4.2 Reservatório de Aquecimento (Caldeira)
O resevatório de aquecimento é feito de material inoxidável tendo uma
capacidade máxima de 2 litros, nele contém dois sensores, de nível máximo e
mínimo, uma resistência e um termostato analógico de calor. Essa caldeira é
vedada com uma borracha e com uma tampa de alumínio confeccionada.
O enchimento do resevatório é feita com a água filtrada do reservatório de
distruibuição através de uma bomba de água. Após esse procedimento, a água
é aquecida a 100°C na caldeira por meio de uma resistência elétrica, que está
imersa na água. Quando a temperatura da água atingir a temperatura indicada,
a resitência é delisgada através de um termostato.
8.4.3 Retorno do vapor
Como a caldeira possui um sistema de aquecimento à 100ºC, é necessário que
haja um respiro para o vapor. Por isso, instalamos conexões de cobre em uma
mangueira de silicone conectada entre a caldeira e o reservatório de
distribuição. Desse modo, o vapor da água aquecida não causa pressão,
retornando novamente ao ciclo.
8.4.4 Comando automático da Bomba
O comando automático da bomba de água tem como objetivo transportar a
água do reservatório de distribuição para a caldeira, de uma maneira
independente. De um modo geral, a bomba liga quando a caldeira está vazia e
desliga quando a caldeira está cheia.
35
8.4.5 Funcionamento do Comando Automático da Bomba
Ao acionar o interruptor liga/desliga, caso o reservatório esteja com nível de
água baixo, o mecanismo interno do sensor de nível baixo conduz uma tensão
elétrica de 110 VAC acionando uma contatora que ao fechar um dos contatos
aciona a bomba. Porém, esse processo necessita de um contato selo. O
contato selo é necessário pelo seguinte, o sensor de nível mínimo para de
conduzir sinal à contatora, enquanto a água enche o reservatório, a bomba
pode desligar sem ter enchido completamente o reservatório, isso não deve
acontecer;
Quando o reservatório atinge o nível desejado, com o auxílio do contato selo, o
mecanismo interno do sensor de nível alto corta a tensão elétrica de 110 VAC o
que desliga a bomba e indica que o reservatório está cheio;
Uma vez que o reservatório esvazie novamente, o mecanismo interno do
sensor volta a conduzir a tensão elétrica, acionando novamente a bomba de
modo automático e contínuo, até que o interruptor da máquina seja desligado.
Na figura 11 mostra a ligação do esquema hidráulico.
36
Figura 11 - Esquema de ligação de sensores de nível e bomba à contatora
para controle automático de nível mínimo e máximo do reservatório
Na figura acima pode-se perceber um circuito de potência onde ilustra a
função dos níveis de água e como a bomba é acionada.
37
8.4.6 Válvula Solenoide
O funcionamento da válvula solenoide é estritamente dependente da ação do
microcontrolador. Ela trabalha com uma tensão de 127V CA e possui a função
semelhante à de um interruptor. Consequente ao aquecimento da água e
através de uma programação, o microcontrolador manda um sinal de 5 VCC
para a interface de potência, onde contém um relé, que energiza a bobina
interna da válvula abrindo o contato, possibilitando a vazão da água quente,
pela mangueira de silicone, para o copo de macarrão. Entretanto, para inserir
300ml de água no copo (quantidade necessária para cozinhar o macarrão), é
necessário especificar na programação do microcontrolador o tempo da vazão
da água, enquanto a válvula solenoide estiver energizada. Após o processo, a
válvula é desenergizada.
38
8.4.7 Ideia Inicial para o esquema Hidráulico
O planejamento para fazer o esquema hidráulico consistia os mesmos
componentes utilizados no projeto inicial. Porém, fizemos uma mudança na
ordem de funcionamento. No planejamento inicial, o grupo pensou em colocar
o filtro entre a bomba de água e a caldeira, mas a vazão do filtro era pequena
em comparação com a força da bomba, além disso, não encontramos
conexões compatíveis para fazer essa instalação.
Outra modificação feita foi o controle automático da bomba. Todo esquema
seria feito conectado ao microcontrolador, mas teríamos uma dificuldade na
programação, mais precisamente na verificação dos sensores de nível. Por
praticidade, foi decidido utilizar um processo automático.
Na figura abaixo mostra como seria a instalação do sistema hidráulico sem a
representação da bomba.
Figura 12 – Planejamento inicial para o sistema hidráulico
representado em 3D
39
A figura 12 é um desenho em 3D de como seria a construção do principal
componentes da parte hidráulica
8.4.8 Custos do Esquema Hidráulico
Os componentes para montar a hidráulica da máquina foram escolhidos de
modo a não comprometer a integridade do produto, são próprios para se utilizar
no consumo de alimentos, por esse motivo, costumam ser mais caros. Além
dos componentes abaixo a instalação da parte hidráulica conta com conexões
de cobre.
A tabela 6 faz referência aos principais componentes que integram o esquema
hidráulico.
Tabela 6 - Custo dos componentes hidráulicos
40
9. Estrutura
A estrutura da máquina é composta por tubos quadrados de alumínio de
40mm, as prateleiras usadas para suportar os componentes são chapas de
ferro galvanizado rebitadas na estrutura de alumínio. O revestimento é de ACM
azul e uma placa de policarbonato cristal (transparente) na parte frontal da
máquina para tornar visível a queda do copo.
Para facilitar o transporte da máquina, foram instalados rodízios com rodas de
gel com capacidade de 50 Kg cada um.
As dimensões da máquina estão na figura 13.
1800mm
600mm
900mm
Figura 13 – Quadro da estrutura
41
A figura mencionada acima se trata do quadro da estrutura e as dimensões
externas, a partir dessa estrutura básica foram fixadas as chapas de ferro.
9.1 Tubos Confeccionados
O material utilizado para os tubos são seis chapas de ferro galvanizado,
confeccionadas em formato de tubos quadrados, locais de armazenamento dos
copos de macarrão. Estes seis tubos possuem comprimentos diferentes para
proporcionar melhor queda, livrando os copos de tombos. Além disso, cada um
deles contém um corte, de 20 mm de largura, em toda a vertical do tubo, para
ficar visível o armazenamento e queda dos copos. Ambos estão rebitados entre
eles e fixados na estrutura como ilustra a figura 14.
Figura 14 – Confecção dos tubos
42
Esses tubos ilustrados na figura possuem queda direta para o funil que será
mencionado no tópico 9.3 Funil Confeccionado.
9.2 Guias de Barra Roscada
Os copos precisam de algo que os guie na queda, pois os tubos possuem uma
pequena folga e fazem com que os copos não desçam retos, prejudicando o
atuador que os seguram e os mantêm em pé. As guias de barra roscada, como
o próprio nome já diz, servem para guiar o copo pelo tubo. Desse modo, não
ocorre o risco de o copo passar direto pelo atuador, prejudicando o
funcionamento da máquina.
Cada tubo possui quatro furos, dois furos na extremidade inferior e dois na
extremidade superior, na parte posterior dos tubos. Cada tubo possui duas
guias de barra roscada, as mesmas são fixadas dentro do tubo por porcas e
arruelas.
43
9.3 Funil Confeccionado
O material utilizado para confeccionar o funil é chapas de ferro galvanizado
para montar as laterais, e também foi utilizado placas de policarbonato cristal
(transparente) para fazer o revestimento frontal do funil, como pode-se notar na
figura 15.
Figura 15 – Confecção do Funil
44
9.4 Cofre
O cofre é um compartimento fixado no assoalho da máquina que armazena as
moedas inseridas. Antes de entrar no cofre, as moedas passam por uma
canaleta, que fica entre o validador de moedas e o cofre.
9.5 Revestimento
O revestimento da máquina é de ACM azul. As portas laterais são fixadas por
rebites, a porta posterior, superior e o painel são móveis.
A porta superior tem como função armazenar os copos nos tubos. A
recolocação deve ser feita assim que os copos se esgotarem. A porta posterior
está disponível a todos os esquemas e circuitos. O painel é móvel para tornar
viável a manutenção do próprio.
As portas móveis são presas na máquina por dobradiças e travas de ferro, para
tornar possível a manutenção preventiva e/ou corretiva da máquina, onde
apenas o técnico em manutenção possui a chave das travas.
9.6 Custos da Estrutura
A estrutura foi patrocinada por uma empresa de toldos e coberturas, tanto os
tubos de alumínio e chapas de ferro quanto a solda mig. O custo dos
componentes para a estrutura se resumem na tabela 7.
Tabela 7 - Custo da Estrutura
45
10. CustoTotal
O custo contabilizado da máquina foi no valor de R$ 1135,41. Porém, alguns
componentes foram adquiridos gratuitamente e outros o grupo já possuía. Além
disso, conseguimos o patrocínio da estrutura, de uma empresa de toldos e
coberturas.
No geral, o custo total da máquina seria em torno dos R$ 3.000,00.
Tabela 8 - Custo Contablizado da Máquina
46
11. Diretrizes
As diretrizes impostas abaixo servem para indicar alguns conceitos de
desempenho da máquina.
11.1
Local de Instalação
A máquina de venda automática de macarrão instantâneo necessita de
alimentação em rede 110Vca/60Hz. No caso de utilizar plenamente o comando
hidráulico automático, necessita-se que a máquina esteja ligada numa rede
hidráulica, caso contrário, a distribuição da água pode ser feita manualmente.
11.2
Segurança
A máquina possui travas de segurança nas três portas para impedir que
pessoas desavisadas tentem abri-la. As travas podem ser abertas com chave
triângulo. Além disso, em cada porta possui um sensor no qual desliga a
máquina caso algum indivíduo tente abrir a porta enquanto a máquina está em
funcionamento.
Para prevenir os circuitos da máquina contra sobrecorrentes e sobretensões,
foi utilizado um disjuntor na parte elétrica.
11.3
Manutenção
Para manutenção obrigatória da máquina, deve-se levar em conta os seguintes
fatores:
 Reposição dos copos de macarrão;
 Esvaziar o cofre quando cheio;
 A caldeira deve estar sempre com água para não queimar a resistência.
Deve-se levar em consideração a manutenção corretiva e limpeza da máquina.
Outro fator importante é manutenção preventiva, a mesma é realizada em
períodos determinados pelo técnico, de acordo com a necessidade da
máquina.
47
12. Resultados Obtidos
Quando a máquina é ligada, a tensão alimenta imediatamente a resistência e o
comando hidráulico.
O usuário ao fazer um pedido na máquina, deve antes inserir o valor do
macarrão, assim, o teclado é liberado para fazer a escolha. Após escolher a
opção o usuário deve aguardar o macarrão ser preparado. O pedido pode ser
acompanhado pelo display.
13. Conclusão
O objetivo básico da máquina foi atingido, o funcionamento. Alguns dos
problemas foram sanados, como por exemplo, a queda do copo. A ideia inicial
era utilizar tubos de PVC, mas com o tempo os tubos empenaram. Surgiu a
ideia de utilizar ferro galvanizado, porém os tubos eram mais largos e os copos
caiam inclinados, uma alternativa foi usar barras roscadas para guiar o copo.
Outros problemas não tiveram uma solução ideal, a resistência está ligada no
110V, mas não pode ser ligada se a caldeira estiver sem água, pois pode
queimá-la, essa parte ainda está em desenvolvimento.
A programação do microcontrolador 8051 ainda pode ser mais desenvolvida,
para melhorar a segurança e no caso de cancelamento do pedido.
No ínterim, o projeto de uma máquina de venda automática fez o grupo pensar
em soluções para os problemas encontrados e fazer testes para o
funcionamento. O tempo foi prejudicial, no sentido de que a maioria do grupo
trabalha e não puderam se empenhar melhor no projeto. Foi uma boa maneira
de trabalhar em equipe, apesar de alguns desentendimentos entre os
integrantes.
48
APÊNDICE
Fluxograma
47
Circuito Microcontrolador 8051
50
Linguagem Assembly
51
49
Fluxograma do Processo
50
51
52
Circuito Microcontrolador 8051
53
Linguagem Assembly
; V1.2
; PROGRAMA TESTE LCD
; pino 1 - GND, pino 2 - VCC, pino 3 - contraste
; pino 5 - RW aterrado (GND)
; pinos 4 e 6 - ligados ao microcontrolador
; pinos 7 a 10 - abertos
; pinos 11 a 14 - bits menos significativos do port do microcontrolador
INF
EQU P1 ;pinos 11 (LSB) a 14(MSB) LCD(END.PORT)
RS
EQU P3.4;pino 4 do LCD
(END. BIT PORT)
EN
EQU P3.5;pino 6 do LCD
(END. BIT PORT)
DIPS EQU P2
DIP1 EQU P2.0
DIP2 EQU P2.1
DIP3 EQU P2.2
DIP4 EQU P2.3
DIP5 EQU P2.4
DIP6 EQU P2.5
DIP7 EQU P2.6
DIP8
PB
EQU P2.7
EQU P3.2
LEDS EQU P0
LED1 EQU P0.0
LED2 EQU P0.1
LED3 EQU P0.2
LED4 EQU P0.3
LED5 EQU P0.4
LED6 EQU P0.5
LED7 EQU P0.6
54
LED8
BZ
EQU P0.7
EQU P3.7
ORG 0000H
; INICIALIZAÇÃO *******************************************
MOV SP,#3FH
; CARREGA SP
MOV P0,#00H
; APAGA LEDS
SETB P3.7
; DESLIGA BUZZER
; PROGRAMAÇÃO DO LCD **************************************
VOLTA:
CLR EN
CLR RS
MOV SCON,#40H ;#### PARA TESTE C/ UART #####
LCALL AT100MS
MOV A,#33H
; RESET
LCALL ECMD
LCALL AT40MS
MOV A,#32H
; RESET
LCALL ECMD
LCALL AT40MS
MOV A,#28H
; PROGRAMA MODO
LCALL ECMD
MOV A,#0CH
; LIGA DISPLAY E ATIVA CURSOR
LCALL ECMD
MOV A,#06H
; CURSOR DESLOCANDO PARA DIREITA
LCALL ECMD
MOV A,#01H
; CLEAR DISPLAY
LCALL ECMD
;**********************************************************
; ESCREVER MENSAGENS NO LCD *******************************
LOOP: MOV R0,#00H
MOV A,#80H
; POSICIONA NO INICIO DA 1 LINHA
LCALL ECMD
MOV DPTR,#TAB1 ; ENVIA MENSAGEM
55
LCALL EMSG
LCALL AT2S
LOOP1: JNB DIP1,LOOP1 ;MOEDEIRO
ESPERA:JB DIP1,ESPERA
INC R0
CJNE R0,#02,LOOP1
SETB LED1
;LIGA RESISTNCIA
SETB LED2
;ACIONA FURADOR
MOV A,#01H
LCALL ECMD ; APAGA LCD
MOV DPTR,#TAB2 ; ENVIA MENSAGEM
LCALL EMSG
LCALL AT2S
; ATRASO 2 SEG
SABOR1:JB P2.6,SABOR1
;ESCOLHA DO SABOR1
MOV A,#01H
LCALL ECMD ; APAGA LCD
MOV DPTR,#TAB3 ; ENVIA MENSAGEM
LCALL EMSG
LCALL AT2S
; ATRASO 2 SEG
SETB LED3
LCALL DELAY
CLR LED3
FC:
JB P2.5,FC
;ESPERA DA CHAVE FIM DE CURSO
CLR LED2
LCALL DELAY
SETB LED4
LCALL ATRASO1
CLR LED4
LCALL DELAY
SETB LED2
56
MOV A,#01H
LCALL ECMD ; APAGA LCD
MOV A,#83H
LCALL ECMD
MOV DPTR,#TAB4 ; ENVIA MENSAGEM
LCALL EMSG
MOV A,#0C5H
; POSICIONA NO INICIO DA 1 LINHA
LCALL ECMD
MOV DPTR,#TAB5 ; ENVIA MENSAGEM
LCALL EMSG
LCALL AT2S
MOV A,#01H
LCALL ECMD ; APAGA LCD
LJMP LOOP
;**********************************************************
; TABELAS COM MENSAGENS (COLOCAR NO FINAL DO PROGRAMA) ****
TAB1:
DB
'INSIRA AS MOEDAS',0FFH
TAB2:
DB
'ESCOLHA O SABOR',0FFH
TAB3:
DB
'AGUARDE',0FFH
TAB4:
DB
'RETIRE SEU',0FFH
TAB5:
DB
'PRODUTO',0FFH
;**********************************************************
;**********************************************************
; SUBROTINAS DO LCD (COLOCAR NO FINAL DO PROGRAMA) ********
ECMD: SETB EN
CLR RS
MOV B,A
;
MOV SBUF,#0DH
SWAP A
;#### PARA TESTE C/ UART #####
57
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
MOV A,B
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
RET
EMSG: MOV R1,#00H
CONT: MOV A,R1
INC R1
MOVC A,@A+DPTR
CJNE A,#0FFH,CONTM
RET
CONTM: SETB EN
SETB RS
MOV B,A
;
MOV SBUF,A
SWAP A
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
;#### PARA TESTE C/ UART #####
58
MOV A,B
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
SJMP CONT
ECAR: SETB EN
SETB RS
MOV B,A
;
MOV SBUF,A
SWAP A
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
MOV A,B
ANL A,#0FH
ANL INF,#0F0H
ORL INF,A
LCALL AT1
CLR EN
LCALL AT1
SETB EN
RET
AT1: MOV R6,#02
AT0: LCALL AT1MS
DJNZ R6,AT0
;#### PARA TESTE C/ UART #####
59
RET
AT40MS:
MOV R6,#40
LJMP AT0
AT100MS: MOV R6,#100
LJMP AT0
AT2S: MOV R5,#20
AT2: LCALL AT100MS
DJNZ R5,AT2
RET
AT1MS:
MOV R7,#249
AT1M:NOP
NOP
DJNZ R7,AT1M
RET
DELAY:
MOV R1,#200
; 200x10ms = 2000ms = 2s
AT7: LCALL AT10MS
DJNZ R1,AT7
RET
AT10MS: MOV R2,#10
; 10x1ms = 10ms = 0,01s
AT8: LCALL AT11MS
DJNZ R2,AT8
RET
AT11MS:
MOV R3,#249
AT3: NOP
NOP
DJNZ R3,AT3
RET
; 249x4us + 4us = 1000us = 1ms
60
ATRASO1:MOV R1,#50
; 200x10ms = 2000ms = 2s
AT4: LCALL AT210MS
DJNZ R1,AT4
RET
AT210MS: MOV R2,#150
; 10x1ms = 10ms = 0,01s
AT5: LCALL AT21MS
DJNZ R2,AT5
RET
AT21MS:
MOV R3,#249
AT6: NOP
NOP
DJNZ R3,AT6
RET
END
; 249x4us + 4us = 1000us = 1ms
61
Referências Bibliográficas
1. BRASIL.
A
EXPOVENDING
&
OCS 2014.
Disponível
em:
http://www.expovending.com.br/home.asp
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Disponível em: http://www.abva.com.br/template.php?pagina=historico
3. BRASIL.
Metodologia
de
Bonsiepe.
Disponível
em:
http://arquivos.verdesaine.net/unip/projeto_do_objeto/Metodologia%20B
onsiepe%5B1%5D.pdf
4. BRASIL. Planejamento e Desenvolvimento da IGA do sítio virtual:
nucleoDesign.org.br.
Disponível
em:
http://www.behance.net/gallery/Desenvolvimento-WEB-(-IGA-)NucleoDesignorgbr/3267445
5. BRASIL.
Podcast
vending
machine.
Disponível
em:
http://pichiliani.com.br/2012/07/podcast-vending-machine/
6. Daniel Quintana Sperb (2011). Núcleo Design: Inovação Social.
Disponível em: <http://www.nucleodesign.org.br>
7. ESTADOS
UNIDOS.
Geneva
Coffee
Machine.
Disponível
em:
www.vendnet.com
8. ESTADOS UNIDOS. How the Products are made. Disponível em:
http://www.madehow.com/Volume-7/Vending-Machine.html
9. ESTADOS UNIDOS. Pyramid Technologies, Inc. Disponível em:
www.pyramidacceptors.com
10. ESTADOS UNIDOS. Vendo V-Max Manual for Pepsi - Cola. Disponível
em: www.vendocompany.com