capítulo 1 - EXPO Unimed Curitiba

UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CURSO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
JOEL EDUARDO MATSCHINSKE KÖSTER
Sistema de controle automático de corte
para produção de lâminas alveoladas para
colméias apícolas
Trabalho de Conclusão de Curso.
Prof. Amarildo Geraldo Reichel
Orientador
Curitiba, dezembro de 2009.
TERMO DE APROVAÇÃO
Joel Eduardo Matschinske Köster
Sistema de controle automático de corte para produção de lâminas alveoladas para
colméias apícolas
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso Engenharia da
Computação da Universidade Positivo, pela seguinte banca examinadora:
Prof. Amarildo Geraldo Reichel (Orientador)
Prof. Marcelo Mikosz Gonçalves (Membro)
Prof. Edson Pedro Ferlin (Membro)
Curitiba, 10 de dezembro de 2009
UNIVERSIDADE POSITIVO
Reitor: Prof. Oriovisto Guimarães
Vice-Reitor: Prof. José Pio Martins
Pró-Reitor de Graduação: Prof. Renato Casagrande
Diretor do Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas: Prof. Marcos José Tozzi
Coordenador do Curso de Engenharia da Computação: Prof. Edson Pedro Ferlin
EPÍGRAFE
Ao Senhor, nosso Deus, cuja palavra é mais
doce do que o mel e o destilar dos favos
(Salmos 19:10)
“Uma visão sem ação não passa de um sonho.
Uma ação sem visão é só passatempo.
Mas, visão com ação pode transformar o mundo.”
Joel A. Barker
Agradecimentos
Eu agradeço a Deus por toda esta etapa concluída, graças a ele, que me guiou nestes
anos, que eu cheguei onde estou.
Agradeço a minha namorada, Débora Hautsch Willig, por estar comigo, me
apoiando e incentivando, durante todos estes anos de graduação.
Gostaria a agradecer meus pais e a minha família, que mesmo pela distância e pela
saudade que eu sentia me motivaram todo esse tempo.
Gostaria de agradecer aos meus tios, que me acolheram nestes anos de estudos.
Gostaria de agradecer a minha sogra pelos almoços de domingo!
Agradeço ao meu primo, Ricardo Köster, por ter me ajudado na parte mecânica do
projeto.
Agradeço aos professores que me ajudaram, em especial ao Orientador Amarildo
Geraldo Reichel.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ....................................................... 9
LISTA DE FIGURAS ................................................................................... 10
LISTA DE TABELAS .................................................................................. 11
RESUMO .................................................................................................... 12
ABSTRACT ................................................................................................ 13
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO ................................................................... 14
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................... 15
2.1
Apicultura .............................................................................................................................. 15
2.1.1
Histórico ............................................................................................................................ 15
2.1.2
Cera de abelha .................................................................................................................. 15
2.1.2.1
Histórico ........................................................................................................................ 16
2.1.2.2
Como é produzida? ...................................................................................................... 16
2.1.2.3
Composição química .................................................................................................... 16
2.1.2.4
Alvéolo ........................................................................................................................... 16
2.1.2.5
Alveolação ..................................................................................................................... 17
2.2
KM Apicultura ...................................................................................................................... 17
2.2.1
Histórico ............................................................................................................................ 17
2.2.2
Processo Produtivo ........................................................................................................... 18
2.2.3
Sub-processo de Alveolação ............................................................................................. 20
2.2.3.1
2.2.4
Perdas de matéria prima no corte manual ................................................................. 21
Benefícios para a empresa................................................................................................ 22
2.3
Máquinas semelhantes existentes no mercado .................................................................... 22
2.4
Teoria de Hardware ............................................................................................................... 23
2.4.1
Microcontroladores .......................................................................................................... 23
2.4.2
Encoders ............................................................................................................................ 23
2.4.3
Display LCD ...................................................................................................................... 23
2.5
Teoria de Software ................................................................................................................. 25
2.5.1
Linguagem C ..................................................................................................................... 25
2.5.2
Interrupção ....................................................................................................................... 26
CAPÍTULO 3 – ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO ..................................... 27
3.1
Analise de Contexto ............................................................................................................... 27
3.1.1
Descrição do objeto do desenvolvimento ........................................................................ 27
3.1.2
Definição do sistema ......................................................................................................... 27
3.1.3
Descrição das partes componentes e de relacionamento ............................................... 27
3.1.4
Descrição do interfaceamento entre sistemas ................................................................. 27
3.1.5
Descrição de condições restritivas ................................................................................... 28
3.1.6
Descrição dos benefícios esperados ................................................................................. 28
3.1.7
Descrição dos impactos esperados ................................................................................... 29
3.2
Análise funcional ................................................................................................................... 29
3.2.1
Funções de comunicação .................................................................................................. 29
3.2.2
Funções de processamento de informação ...................................................................... 29
3.2.3
Funções de controle automático ...................................................................................... 29
3.2.4
Funções de interface homem/máquina ........................................................................... 29
3.2.5
Funções de aquisição de dados ........................................................................................ 29
3.2.6
Funções de atuação ........................................................................................................... 29
3.3
Análise de requisitos .............................................................................................................. 30
3.3.1
Funcionalidade .................................................................................................................. 30
3.3.2
Confiabilidade ................................................................................................................... 30
3.3.3
Usabilidade ........................................................................................................................ 30
3.3.4
Eficiência ........................................................................................................................... 30
3.4
Análise de arquitetura ........................................................................................................... 30
3.5
Análise de alternativas .......................................................................................................... 31
CAPÍTULO 4 - IMPLEMENTAÇÃO ............................................................ 32
4.1
Hardware ................................................................................................................................ 32
4.1.1
Encoder .............................................................................................................................. 32
4.1.2
Microcontrolador.............................................................................................................. 33
4.1.3
Sensor de Presença ........................................................................................................... 34
4.1.4
Atuador .............................................................................................................................. 36
4.1.5
Teclado............................................................................................................................... 36
4.1.6
Display ............................................................................................................................... 37
4.1.7
Fontes de alimentação ...................................................................................................... 37
4.1.8
Acionamento do motor ..................................................................................................... 37
4.2
4.2.1
4.3
4.3.1
4.4
Máquina ................................................................................................................................. 38
Botão de emergência ......................................................................................................... 38
Software .................................................................................................................................. 38
Varredura do teclado ....................................................................................................... 43
Placa ....................................................................................................................................... 44
CAPÍTULO 5 – VALIDAÇÃO E RESULTADOS ......................................... 46
5.1
Testes ...................................................................................................................................... 46
5.2
Custos ..................................................................................................................................... 47
REFERÊNCIAS........................................................................................... 49
GLOSÁRIO ................................................................................................. 51
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
Hz
Hertz
kHz
Quilo Hertz
U.I.
Unidades Internacionais
D.C.
Depois de Cristo
Ω
ohm
VAC
Tensão em Corrente Alternada
VCC
Tensão em Corrente Continua
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1: Lâmina alveolada de cera, modelo Langstroth. .........................................17
Figura 2.2: Fluxo de Cera na Empresa .........................................................................19
Figura 2.3: Funcionário realizando o corte para dispor as lâminas sobre a mesa ........20
Figura 2.4: Lâminas de cera já cortadas no comprimento ............................................21
Figura 2.5: “Cortador Automático de Cera Tamanho Padrão Langstroth” ..................23
Figura 2.6: Display LCD de 2 linhas por 16 colunas ...................................................25
Figura 3.1: Diagrama da arquitetura do sistema ...........................................................31
Figura 4.1: Encoder incremental da série 58 ................................................................32
Figura 4.2: Regulador de tensão 5V com zener............................................................33
Figura 4.3: Diagrama de pinos do Microcontrolador ...................................................34
Figura 4.4: Circuito elétrico do sensor de barreira .......................................................35
Figura 4.5: Imagem com detalhes do sensor de barreira para identificação da
presença de cera e da sinalização do atuador de corte ...............................................35
Figura 4.6: Teclado de superfície lisa ...........................................................................36
Figura 4.7: Circuito elétrico de testes montado no Proteus 7.0 ....................................36
Figura 4.8: Circuito elétrico de proteção e acionamento do motor ..............................38
Figura 4.9: Fluxograma do software, com a inicialização e o modo
funcionando ...............................................................................................................40
Figura 4.10: Fluxograma do software, com o modo configuração ...............................41
Figura 4.11: Placa de circuito impresso, com detalhes das conexões ..........................45
Figura 5.1: Testes com o sistema onde uma folha de papel representava a cera..........46
Figura 6.1: Imagem de 2 Funcionários trabalhando na máquina alveoladora de
cera de abelhas na empresa KM Apicultura ..............................................................59
Figura 6.2: Imagem geral do projeto ............................................................................60
Figura 6.3: Imagem superior do protótipo do projeto, com detalhe do botão
de emergência ............................................................................................................60
Figura 6.4: Testes do circuito eletrônico do projeto no software ISIS
Professional Proteus 7.0 ............................................................................................61
Figura 6.5: Protótipo eletrônico em caixa de acrílico ...................................................62
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1: Análise de amostras da produção com suas perdas referentes ..................21
Tabela 2.2: Display LCD - Linhas x Colunas x Pinos .................................................24
Tabela 2.3: Descrição e função dos pinos do display WH1602A ................................24
Tabela 4.1: Seqüencia que é realizada a varredura das teclas ......................................44
Tabela 5.1: Testes realizados com a máquina ..............................................................46
Tabela 5.2: Custos totais para desenvolvimento do projeto .........................................47
Tabela 6.1: Custos para desenvolvimento do projeto ...................................................63
Tabela 6.2: Cont. custos para desenvolvimento do projeto ..........................................64
RESUMO
Este projeto apresenta o desenvolvimento de um sistema de automação industrial
aplicada em uma máquina alveoladora de cera de abelha, destinada a realizar o controle
do corte. Este sistema foi desenvolvido com base em um microcontrolador de 8 bits e
interfaces com o usuário por meio de um teclado de membrana e display de cristal
líquido de 16 colunas por 2 linhas. Por meio do teclado é realizada a programação do
tamanho das placas de cera a serem produzidas sendo visualizadas as informações e
opções por meio do display LCD. Um encoder incremental de uso industrial envia
pulsos ao microcontrolador que executa o cálculo do comprimento das placas
alveoladas, enviando um sinal digital ao atuador eletropneumático para a realização do
corte de cada placa de acordo com o tamanho programado. O sistema também permite a
conexão serial com computadores do sistema corporativo da empresa, para futuro
gerenciamento da produção.
Palavras-Chave: Lâminas alveoladas, cera de abelha, automação industrial, encoder,
microcontrolador
Automatic control system to cut production of blades for honeycomb
bee hives
ABSTRACT
This project presents the development of an industrial automation system
implemented in a machine honeycomb beeswax, aimed at achieving control of the
court. This system was developed based on an 8-bit microcontroller and interfaces with
the User through a membrane keypad and liquid crystal display 16 columns by 2 rows.
The keyboard is done programming the size of the plates of wax to be produced and
displayed information and options through the LCD display. Through an incremental
encoder for industrial use are sent pulses to the microcontroller that performs the
calculation of the length of the plates with cells, sending a digital signal to the
electropneumatic actuator to achieve the cutting of each plate according to the size set.
The system also allows the serial connection to the computer system of corporate
business for the future management of the production.
Keywords: Blades honeycomb, beeswax, industrial automation, encoder,
microcontroller.
14
CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO
Para a criação de abelhas por meio de caixas, é necessária a utilização de lâminas
alveoladas de cera de abelha em cada caixilho, facilitando o processo de produção de
mel.
No ano de 1998, a empresa KM Apicultura, localizada em Ijuí/RS, adquiriu
maquinário necessário para alveolação de lâminas destinadas a colméias apícolas.
Desde então, todos os processos referentes a esta máquina tem se mantido os mesmos,
desde o processo de derretimento da cera de abelha, até o processo de empacotamento
das lâminas prontas. O processo de corte do comprimento das lâminas tem sido feito
manualmente, utilizando-se um estilete. Este trabalho árduo requer que a máquina seja
sempre parada para efetuar a retirada do rolo de lâmina a ser cortada; requer mão de
obra especializada; gera perdas na produção causadas por este procedimento de corte
manual, levando a uma menor lucratividade para a empresa.
O objetivo do projeto foi o desenvolvimento de um sistema automático de
monitoração e corte de placas alveoladas que pudesse ser implantado posteriormente
nesta máquina alveoladora de lâminas para colméia apícola. Este sistema tem a função
de controlar um dispositivo atuador eletropneumático para realizar o corte das lâminas
produzidas. A medida desejada para o corte e a quantidade de lâminas a ser produzidas
é informada ao sistema antes do início do processo, por meio de um teclado, e pode ser
conferida em um display LCD. A aferição de material passante (cera laminada) na
máquina é feita por meio de um encoder acoplado ao eixo dos rolos pressores que
impulsionam este material.
Atualmente, a empresa Brasileira APILANI - Máquinas e Equipamentos Técnicos comercializa uma máquina que realiza o corte da cera alveolada, mas somente em uma
medida fixa, correspondente ao modelo de lâminas padrão Langstroth, que é de 42 cm
de comprimento. O preço desta máquina é de R$6.000,00 (conforme pesquisa realizada
com a empresa, em 03/11/2009). Um diferencial da empresa KM Apicultura é a de
realizar a alveolação da cera de abelha no tamanho que o cliente desejar, o que é muito
comum, devido à variedade de modelos de caixas de abelhas existentes na região.
15
CAPÍTULO 2 – FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Neste capítulo encontram-se alguns dos conceitos indispensáveis para o
entendimento e desenvolvimento do projeto, assim como informações técnicas
referentes ao assunto.
2.1 Apicultura
O mel é considerado um dos alimentos mais puros da natureza e apresenta riqueza
de elementos em sua composição, tais como glicose, frutose, sacarose, maltose, sais
minerais, vitaminas, enzimas, hormônios, proteínas, ácidos, aminoácidos e fermento.
Além de possuir todos esses componentes, o mel é bastante apreciado por seu sabor
característico e seu considerável valor nutritivo (DUARTE, 2006).
2.1.1 Histórico
As abelhas são insetos que pertencem no reino animal, à classe Insecta, ordem
Hymenoptera, gênero Apis, espécie mellifera I (PINHO, 1997). Surgiram na face da
Terra há mais de 50 milhões de anos e sempre presentes em civilizações antigas como
as gregas e egípcias (DUARTE, 2006).
Sua origem provável é a África Tropical e se difundiu do sul da África para o norte e
leste da Europa e daí para á Índia, a China e mais recentemente para as Américas
(PEGORARO, 2007).
A introdução de abelhas no Brasil é atribuída aos jesuítas que estabeleceram suas
missões no século XVIII, nos territórios que hoje fazem fronteira entre o Brasil e o
Uruguai, no noroeste do Rio Grande do Sul (SAÚDE ANIMAL, 2009).
A apicultura racional tem sua origem no Brasil com a introdução da abelha européia
(Apis mellifera), a partir de 1839, trazida por imigrantes europeus que se estabeleceram
na região sul do País, considerada a região do Brasil onde a atividade apícola melhor se
desenvolveu ao longo dos anos (DUARTE, 2006).
2.1.2 Cera de abelha
Conforme Dadant y Hijos (1975), a cera de abelha é a verdadeira cera.
Do ponto de vista econômico, o produto é utilizado como matéria prima para a
confecção de velas, entra no processo de produção de diversos produtos industriais e é
aproveitado na indústria cosmética e medicinal, como base de cremes (ABREU, 1986).
16
2.1.2.1 Histórico
A cera de abelhas é tão antiga quanto à própria história das abelhas e de sua
exploração pelo homem.
Conhecida desde a mais remota antiguidade era usada, dentre outras inúmeras
aplicações, como pagamento de tributos, taxas e multas. Em 181 D.C., Córsega pagava
a Roma um tributo anual de 38 toneladas de cera (COUTO, 1996).
Povos primitivos utilizavam-na na mumificação de cadáveres; na mitologia grega as
asas de Ícaro, que permitiram sua saída de Atenas eram fixadas a seu corpo com cera
(CRIAR E PLANTAR, 2009).
A cera possui oxidação lenta, dura por muito tempo, desde que não seja atacada por
traças da cera ou exposta a altas temperaturas (COUTO, 1996).
2.1.2.2 Como é produzida?
A cera de abelha é produzida pelas abelhas operárias, sendo mais especificamente
produzida pelas operárias entre seus 14 e 18 dias de vida, sendo denominadas de
engenheiras ou carpinteiras nesta fase.
Durante a fase em que as abelhas são Engenheiras ou Carpinteiras, ela se preocupam
em construir favos, à base de cera, produzida por glândulas cerígenas localizadas no
abdômen. Cada abelha tem quatro pares dessas glândulas. As abelhas engenheiras
precisam de muito mel para produzir cera: precisam de até sete quilos de mel para
produzir apenas um quilo de cera (PINHO, 1997).
Conforme Dadant y Hijos (1975), logo que ela é produzida, tem a cor branca, mas
fica amarela com o contato com o mel e pólen.
2.1.2.3 Composição química
Segundo o grande médico russo, Dr. Iorish, entram na composição da cera 15
produtos químicos que são:
74,4% a 74,7% de estéres complexos, monoatômicos (mirício, cerílico e
melínico) e ácidos graxos;
13,5% a 15% de ácidos livre (cerótico, merílico ácidos da série oleínica e
outros);
12,5% a 15,5% de hidratos de carbono saturados, pentose, heptose, monose,
e outros (CRIAR E PLANTAR, 2009).
A cera de abelha é rica em vitamina A: 100g contêm 4096 U.I., enquanto que 100g
de carne bovina contêm apenas 60 U.I. (GUILIANI, 2009). Alguns pesquisadores
acreditam que a cera contém também antibióticos.
2.1.2.4 Alvéolo
Conforme Rique (2007), as abelhas constroem suas “casas” ou favos na forma de
recipientes aglomerados de cera que se propagam um ao lado do outro. Estes
recipientes, que são denominados alvéolos, têm a forma de um prisma hexagonal
regular (faces laterais iguais e ângulos entre as faces iguais) aberto numa extremidade e
formando um ápice triédrico na outra face.
Mas porque são de forma hexagonal?
17
O hexágono é uma figura de seis lados, e é regular, pois todos os seus lados têm a
mesma medida. É a figura que tem o menor perímetro para cada área. Ao construir uma
célula hexagonal para servir de favo de mel, a abelha usa a menor quantidade de cera e
utiliza a menor quantidade de esforço para circunscrever um dado espaço. As abelhas
resolvem um grande problema que, para os matemáticos parecia uma solução bem
difícil: “no menor espaço, construir células regulares e iguais, com a maior capacidade e
solidez, empregando a menor quantidade de matéria possível” (BOTELHO E SANTOS,
2007).
2.1.2.5 Alveolação
A alveolagem é obtida por meio da passagem de lâminas lisas de cera em cilindros
ou prensas com as matrizes dos hexágonos dos alvéolos, cuja imagem se imprime em
relevo nas folhas lisas de cera recém-fabricadas (COUTO, 1996).
As vantagens do uso da cera alveolada (Figura 2.1) são: limitação do nascimento de
zangões, as operárias não perdem tempo e mel na construção da base do favo e, com a
posterior aramação e incrustação, os favos ficam mais resistentes para transporte e
centrifugação (COUTO, 1996).
Figura 2.1: Lâmina Alveolada de cera, modelo Langstroth (ACAMBIODE, 2009).
As lâminas podem ser alveoladas em diversos modelos, dependendo do modelo de
caixa onde ela será utilizada. O modelo Langstroth ou Americana é o modelo padrão,
onde a medida interna do caixilho do ninho é de 42 cm de comprimento por 19 cm de
altura. Entretanto, existem vários outros modelos de caixas, até mesmo modelos
especiais criados por cada apicultor.
2.2 KM Apicultura
2.2.1 Histórico
Conforme o Sr. João Köster, a empresa KM Apicultura surgiu da união de dois
apicultores: João Köster e Balduin Matschinske. Desde o ano de 1983, os dois sócios já
trabalhavam com a produção de mel, tendo aproximadamente 60 caixas de abelha. Com
o passar dos anos, os dois foram se aperfeiçoando e crescendo no ramo apícola. A
18
empresa KM Apicultura foi fundada em Novembro de 1996, na cidade de Ijuí no Rio
Grande do Sul (KM APICULTURA, 2009). Em 1998, existia somente uma empresa
que realizava a alveolação de cera de abelha no estado do RS, monopolizando este
mercado. Os preços praticados por esta empresa eram altos, o que tornava os custos no
ramo apícola elevados para os apicultores. Neste ano de 1998, a empresa KM
Apicultura decidiu acabar com esta exploração, adquirindo maquinário necessário para
realizar a alveolação de cera, entrando neste campo de mercado.
2.2.2 Processo Produtivo
Desde a aquisição desta máquina alveoladora pela empresa, todos os processos
referentes a ela tem se mantido os mesmos, do processo de derretimento da cera de
abelha, até o processo de empacotamento das lâminas prontas.
O processo para a produção de cera alveolada na empresa, desde a entrada de cera
bruta, até a saída da cera alveolada, pode ser demonstrado pela Figura 2.2.
Vale lembrar que na maioria dos sub-processos de todo o processo de alveolação de
cera, gera perdas de matéria prima, que conforme a viabilidade, é recolhida para ser
realimentada no sistema, como é visto na área esquerda da Figura 2.2.
19
Figura 2.2: Fluxo de Cera na Empresa
20
2.2.3 Sub-processo de Alveolação
Na empresa KM Apicultura a alveolagem é feita pela passagem da lâmina de cera
lisa por cilindros com as matrizes dos hexágonos dos alvéolos (Figura 2.2), imprimindose em relevo os alvéolos nas folhas lisas de cera.
É realizado o corte da altura da lâmina desejada por meio de dois pares de navalhas,
como é visto na Figura 2.2.
A lâmina de cera é enrolada em um cilindro de madeira. Assim que houver neste
rolo de madeira uma quantidade de aproximadamente 5 cm de espessura de cera, a
máquina é desligada para que seja retirado este cilindro manualmente, disposto as
lâminas sobre uma mesa de madeira (Figura 2.3), e cortado no comprimento do modelo
de lâmina desejada.
O processo de corte do comprimento das lâminas tem sido feito todo manualmente,
com o uso de estilete, requerendo mão de obra específica, com o risco do funcionário se
cortar com o estilete.
Figura 2.3: Funcionário realizando o corte para dispor as lâminas sobre a mesa
A produção de cera alveolada na empresa é por demanda, pois há épocas em que os
apicultores necessitam de cera, como na primavera, e há épocas em que a produção de
cera alveolada fica parada, como no inverno.
Em média, em épocas que o mercado necessita do produto, é produzido em torno de
200 kg de cera alveolada por dia. Deixando as máquinas ligadas 8 horas por dia, ou até
mais.
Para a produção de 3000 lâminas no modelo Langstroth são necessários
aproximadamente 200 kg de cera alveolada. Mas isto sempre depende do modelo de
21
lâmina que se está produzindo, e da regulagem da espessura da lâmina final no cilindro
alveolador.
Este processo de alveolação sempre precisa de 3 funcionários, um para controlar a
bobina de cera lisa que está entrando no cilindro alveolador, um para enrolar as tiras de
cera alveolada no rolo de madeira, e outro para passar as tiras do rolo de madeira para a
mesa, e realizar o corte do comprimento da lâmina.
2.2.3.1 Perdas de matéria prima no corte manual
O processo de corte do comprimento da lâmina é realizado por meio de estilete, com
a ajuda de um molde de madeira referente ao modelo de lâminas que se esta a produzir.
Após as tiras de lâminas alveoladas serem colocadas sobre a mesa, é posto este molde
sobre as lâminas, e realizado o corte com o estilete. Sempre há sobras de cera alveolada
gerada por este processo (Figura 2.4), que devido a seu tamanho reduzido, não pode ser
utilizada para nada, tendo que voltar ao início do processo, sendo tratada como cera
bruta novamente.
Figura 2.4: Lâminas de cera já cortadas no comprimento, com detalhes de sobras.
As sobras produzidas nesta etapa geram custos, pois tem que passar por todo o
processo novamente.
Foi realizada uma análise de quanto esta perda representa na produção de cera
alveolada, calculada por meio de três amostras deste processo, conforme a tabela 2.1:
Tabela 2.1: Análise de amostras da produção com suas perdas referentes.
Amostra
Peso das Lâminas
Peso dos Retalhos
Porcentagem de Perda
1
3,680 kg
0,290 kg
7,3 %
2
4,060 kg
0,320 kg
7,3 %
3
4,130 kg
0,360 kg
8,0 %
Média
7,5 %
A análise foi realizada utilizando-se lâminas do modelo Langstroth (Americana).
Esta porcentagem de perda pode variar dependendo do modelo em produção, pois
depende da altura da lâmina.
22
Como exemplo, se fossem produzidas 3000 lâminas do modelo Langstroth, a perda
de 7,5% representaria um total de 225 lâminas perdidas, tendo que passar por todo o
processo novamente.
2.2.4 Benefícios para a empresa
Não será necessário a cada 10 minutos desligar a máquina para efetuar a retirada das
tiras de lâminas alveoladas, ficando a máquina 1 minuto parada, representando
aproximadamente 10% de perda de tempo neste processo.
Com o ganho de tempo, a empresa poderá produzir mais cera nestes 10% de tempo
que adquirirá, podendo aumentar sua clientela, já que a demanda no mercado é grande
em certas épocas do ano.
Terá redução de 1 funcionário neste processo produtivo, sendo necessário um
funcionário para controlar a bobina de cera lisa que entra no cilindro alveolador, e outro
para juntar as lâminas cortadas no final da máquina. Desta forma, a redução de 3
funcionários para 2, representará uma economia de 33,3% com mão de obra referente a
este sub-processo.
Com a redução de mão de obra de 33,3% neste sub-processo, a empresa terá um
custo menor de produção, podendo diminuir o preço final do produto, um grande
diferencial no mercado, ou manter o mesmo preço, obtendo uma lucratividade maior.
Evitar-se-á a perda de 7,5% de cera alveolada como foi comentada no item 2.2.3.1.
Com a redução de custo para reprocessar 7,5% da produção, novamente o custo final
do produto diminuirá, levando a empresa a optar pelas opções de melhoria acima
citados.
Além destes benefícios, este novo sistema será um diferencial para a imagem da
empresa.
2.3 Máquinas semelhantes existentes no mercado
Uma pesquisa foi feita no site www.patentesonline.com.br para saber se existia
alguma patente semelhante a este sistema, aplicável especificamente a lâminas de cera
de abelha, mas nada foi encontrado.
A empresa APILANI, do Rio de Janeiro, é uma empresa especializada na produção
e comercialização de maquinários referentes à alveolação de cera de abelha. O cilindro
alveolador adquirido pela empresa KM Apicultura em 1998, foi comprado desta
empresa.
A APILANI produz uma máquina semelhante à proposta aqui apresentada. Serve
para realizar o corte automático das lâminas que saem do cilindro alveolador, mas só
realizam o corte em uma medida, que é a medida Langstroth, de 42 cm de comprimento.
O preço desta máquina é de: R$ 6.000,000 (conforme pesquisa realizada com a
empresa, em 03/11/2009).
Seu funcionamento é por correias, que são ligadas no motor do cilindro alveolador.
Esta máquina que realiza o corte também empilha as lâminas cortadas na saída.
Melhores detalhes podem ser vistos pela figura 2.5.
.
23
Figura 2.5: “Cortador Automático de Cera Tamanho Padrão Langstroth” (APILANI,
2009)
2.4 Teoria de Hardware
2.4.1 Microcontroladores
Os microcontroladores são chips inteligentes, que tem um processador, pinos de
entradas/saídas e memória. Por meio da programação dos microcontroladores pode-se
controlar suas saídas, tendo como referência as entradas ou um programa interno. O que
diferencia os diversos tipos de microcontroladores é a quantidade de memória interna
(programa e dados), a velocidade de processamento, a quantidade de pinos de
entrada/saída (E/S), a alimentação, os periféricos, a arquitetura e o conjunto de
instruções (TREVISAN, 2009).
O PIC é um circuito integrado produzido pela Microchip Technology Inc., que
pertence a categoria dos microcontroladores, ou seja, um componente integrado que em
um único dispositivo contem todos os circuitos necessários para realizar um completo
sistema digital programável (TREVISAN, 2009).
2.4.2 Encoders
Os encoders são transdutores de movimento capazes de converter movimentos
lineares ou angulares em informações elétricas que podem ser transformadas em
informações binárias e trabalhadas por um programa que converta as informações
passadas em algo que possa ser entendido como distância, velocidade, etc.
Em outras palavras, o encoder é uma unidade de realimentação que informa sobre
posições atuais de forma que possam ser comparadas com posições desejadas e seus
movimentos sejam planejados (BRUSAMELLO, 2004).
2.4.3 Display LCD
Os módulos LCD são interfaces de saída muito útil em sistemas microprocessados.
Estes módulos podem ser gráficos e a caracteres. Os módulos LCD gráficos são
encontrados com resoluções de 122x32, 128x64, 240x64 e 240x128 dots pixel, e
geralmente estão disponíveis com 20 pinos para conexão. Os LCD comuns (tipo
caracter) são especificados em número de linhas por colunas (BARBACENA, 1996).
24
Na tabela 2.2 podem ser vistos os modelos de displays existentes no mercado, e a
relação entre linhas, colunas e pinos de cada um.
Tabela 2.2: Display LCD - Linhas x Colunas x Pinos
Número de Linhas
Número de Colunas
Quantidade de Pinos
8
2
14
12
2
14/15
16
1
14/16
16
2
14/16
16
4
14/16
20
1
14/16
20
2
14/16
20
4
14/16
24
2
14/16
24
4
14/16
40
2
16
40
4
16
Os módulos podem ser encontrados com LED backlight (com uma iluminação de
fundo) para facilitar as leituras durante a noite. A corrente de consumo deste led varia
de 100 a 200mA, dependendo do modelo.
Estes módulos utilizam um controlador próprio e conexão por meio de um
barramento de dados, controle do módulo e alimentação com a placa do usuário
(BARBACENA, 1996).
Além de alimentar e conectar os pinos do módulo com a placa do usuário deve
implementar por software um protocolo de comunicação entre as partes, que envolve o
envio de bytes de instruções e bytes de dados pelo sistema do usuário.
A tabela 2.3 descreve cada pino do módulo ou do display de 2 linhas por 16 colunas
para conexão deste a outras placas.
Tabela 2.3: Descrição e função dos pinos do display WH1602A
Pino
Função
Descrição
1
VSS
Terra ou GND
2
VDD
VCC ou +5V
3
V0
Ajuste de contraste
4
RS
1 – Dado / 0 – Instrução
5
R/W
1 – Leitura / 0 – Escrita
25
6
E
1 -> 0 – Habilita
7
DB0
Linha de Dados 0
8
DB1
Linha de Dados 1
9
DB2
Linha de Dados 2
10
DB3
Linha de Dados 3
11
DB4
Linha de Dados 4
12
DB5
Linha de Dados 5
13
DB6
Linha de Dados 6
14
DB7
Linha de Dados 7
15
A
Iluminação +
16
K
Iluminação Fonte: WINSTAR, 2009
Na figura 2.6 pode ser visto um display de 2 linhas por 16 colunas.
Figura 2.6: Display LCD de 2 linhas por 16 colunas (ALIBABA, 2009).
2.5 Teoria de Software
Neste item são abordados alguns dos principais requisitos e detalhes de software
utlizados em programação de microcontroladores.
2.5.1 Linguagem C
Uma linguagem de programação é um método padronizado para expressar
instruções para um computador. É um conjunto de regras sintáticas e semânticas usadas
para definir um programa de computador. Uma linguagem permite que um programador
especifique precisamente sobre quais dados um computador vai atuar, como estes dados
serão armazenados ou transmitidos e quais ações devem ser tomadas sob várias
circunstâncias (WIKIPEDIA, 2009).
O C é uma linguagem de programação genérica que é utilizada para a criação de
programas diversos como processadores de texto, planilhas eletrônicas, sistemas
operacionais, programas de comunicação, programas para a automação industrial,
gerenciadores de bancos de dados, programas de projeto assistido por computador,
26
programas para a solução de problemas da Engenharia, Física, Química e outras
Ciências, etc. (RODRIGUES, 2009).
2.5.2 Interrupção
A interrupção é o meio encontrado para que o microcontrolador tenha condições de
reconhecer eventos externos à CPU (Unidade Central de Processamento). Pode-se
programar o microcontrolador para atender algum evento que ocorrerá, como por
exemplo, uma chave a ser acionada, ou um periférico interno que solicitará uma
interrupção (NICOLOSI, 2008).
Existem três fontes de interrupção: a interrupção por Software (instrução), a
solicitada por periférico externo e a interrupção solicitada por periférico interno
(timer/counter, porta serial, etc.) (SILVA JÚNIOR, 1998).
A interrupção é um sinal, gerado de uma das três formas acima descritas, que pede
para a CPU parar o processamento corrente e efetuar outro, referente à interrupção
solicitada, desde que a mesma esteja habilitada e possa ser aceita (SILVA JÚNIOR,
1998).
27
CAPÍTULO 3 – ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO
3.1 Analise de Contexto
3.1.1 Descrição do objeto do desenvolvimento
O objeto desenvolvido consiste de um sistema de automação industrial, com a
finalidade ser implantada em uma máquina alveoladora de lâminas apícolas, pertencente
a empresa KM Apicultura, localizada em Ijuí/RS. Este sistema será validado por meio
de uma máquina similar com sua montagem mecânica similar à utilizada na fábrica. Ao
ligar o sistema de controle, o usuário informa ao sistema a medida desejada de corte e a
quantidade de lâminas a serem produzidas, por meio de um teclado. Após a confirmação
dos dados, a máquina começa a funcionar, efetuando o controle do corte
automaticamente. A qualquer momento o usuário pode observar, no sistema de controle,
informações referentes à produção. Assim que a quantidade de lâminas produzidas
chegar a quantidade de lâminas desejadas, a máquina entra em modo stand-by,
esperando uma nova configuração.
3.1.2 Definição do sistema
O sistema realiza o controle automático do corte em uma medida pré-determinada.
O usuário pode analisar dados referentes à produtividade.
3.1.3 Descrição das partes componentes e de relacionamento
O elemento de análise da quantidade de matéria bruta que está passando na máquina
é acoplado ao eixo alveolador (o qual “imprime” na lâmina os alvéolos). Este elemento
está conectado ao sistema de controle repassando informações referentes à rotação do
eixo. Um teclado conectado ao controlador tem a função de receber comandos do
usuário e repassá-los ao controlador. Um display LCD também está conectado ao
controlador, e tem a função de efetuar a visualização de dados referentes à comunicação
com o usuário. Ao controlador também é conectado um sensor, que tem a função de
analisar se existe matéria bruta presente na máquina. O controlador controla um
atuador, que posteriormente estará conectado a um sistema eletromecânico que realizará
o corte da cera. O controlador poderá ser conectado posteriormente a um computador da
empresa, informando sobre a produtividade da máquina.
3.1.4 Descrição do interfaceamento entre sistemas
O controlador tem uma saída de comunicação serial que poderá ser ligada
posteriormente a um computador da empresa, transmitindo dados referentes a produção
de lâminas alveoladas.
28
3.1.5 Descrição de condições restritivas
Restrição de custos
Não é favorável ao desenvolvimento do projeto, que o custo de seus “Insumos pra
produção da Máquina” se torne superior a R$ 1.500,00.
Restrição de recursos
O sistema não estará apto para a implantação na empresa enquanto não estiver
pronto o sistema eletromecânico de corte, a ser desenvolvido por terceiros. Existe
também a restrição de distância entre o desenvolvedor do projeto, até a empresa.
Restrição de prazos
Com relação ao prazo de implementação do protótipo, deverá estar concluído e
implementadas todas as suas funcionalidades até o dia de apresentação da fase
implementação, de acordo com o cronograma do TCC do curso de Engenharia da
Computação da Universidade Positivo para 2009.
Condições ambientais
No local de trabalho com a máquina alveoladora, podem ocorrer respingos de água,
exigundo uma proteção contra umidade excessiva, preferencialmente com vedação à
entrada de líquidos.
Condições de energização
O sistema deverá ser alimentado por tensão de 220VAC, que é a tensão nominal da
rede elétrica na empresa. Como a alimentação geral do circuito ocorre em tensão
contínua, deverá ser prevista uma fonte, de forma a reduzir a tensão, retificar, filtrar e
regular de acordo com a necessária ao sistema.
Condições de interferência eletromagnética
Em uma empresa, existem motores e equipamentos em funcionamento, o que pode
tornar um sistema instável por fatores eletromagnéticos do meio, necessitando que
cabos que cruzem pela máquina alveoladora sejam blindados.
Condições de interferência elétrica
Uma instabilidade na energia elétrica fará com que o sistema seja resetado,
necessitando uma nova configuração da máquina para que volte a operar conforme o
esperado.
3.1.6 Descrição dos benefícios esperados
Benefícios econômicos
Esta automação fará com que a empresa reduza desperdícios com matéria bruta que
atualmente é de aproximadamente 7,5% da produção. Atualmente são necessários 3
funcionários para operarem a máquina, com esta automação, serão necessários apenas 2
funcionários.
Benefícios operacionais
Atualmente, a cada certa quantia de cera bruta que a máquina alveola, é necessário o
desligamento temporário do processo para que a cera que foi alveolada seja passada
para uma mesa, para ser realizado o corte manual. Caso este tempo necessário de pausa
temporária não exista, significaria uma maior produção, o que gera também um
beneficio econômico.
29
3.1.7 Descrição dos impactos esperados
Impactos institucionais
Espera-se que a empresa referente aceite o novo sistema de automação,
compreendendo os processos de configuração da máquina, desfrutando de todos os
benefícios que ela poderá trazer.
3.2 Análise funcional
3.2.1 Funções de comunicação
Existe a possibilidade do controlador se comunicar posteriormente com um
computador da empresa, repassando dados referentes a quantidade de lâminas
produzidas.
3.2.2 Funções de processamento de informação
O controlador recebe informações vindas do encoder incremental acoplado no eixo
do cilindro alveolador. Conforme a relação pulso/volta deste encoder, juntamente com a
medida da circunferência do cilindro alveolador, é realizado um cálculo para análise da
quantidadede de cera que passa pela máquina.
O controlador processa as informações vindas do teclado, decodificando-as em
informações referentes a interação do homem com o sistema.
3.2.3 Funções de controle automático
Quando o controlador identifica que a quantidade de lâmina que passou desde a
última atuação é igual à medida pré-determinada pelo usuário, ele aciona o atuador que
representa o movimentando do sistema de corte. Isto só é realizado se o controlador
identificar, por meio do sensor, que existe matéria bruta presente na máquina.
3.2.4 Funções de interface homem/máquina
O usuário configura a máquina por meio de um teclado e um display, por onde ele
pode digitar a medida do corte e a quantidade de lâminas desejadas. O usuário pode
alterar a medida de corte do sistema e a quantidade a qualquer momento, simplesmente
apertando um botão do teclado, fazendo com que a maquina pare de processar cera.
3.2.5 Funções de aquisição de dados
O controlador adquire do encoder dados referentes à rotação do eixo alveolador, isto
somente após as características destes dados serem compatíveis com as características
de entrada do controlador, no caso a tensão de 5VCC de entrada do controlador. Recebe
também os dados vindos do teclado e o estado do sensor.
3.2.6 Funções de atuação
O atuador eletropneumático conectado ao controlador tem como função o corte da
lâmina de cera, que estará passando na máquina, no tamanho programado.
30
3.3 Análise de requisitos
3.3.1 Funcionalidade
Um diferencial da empresa atualmente é o de uma lâmina ser exatamente do mesmo
tamanho da outra, sem variações. Isto é devido ao corte atualmente manual. Para
prosseguir com este diferencial, é de necessária importância que o sistema tenha uma
boa precisão. Conforme reunião com o sócio/gerente, uma precisão de
aproximadamente 0,5 mm é o suficiente. As medidas atuais das lâminas feitas pela
empresa podem variar entre 23 cm e 42,5 cm. No ambiente de trabalho desta máquina
pode ser observado respingos de água na região do cilindro alveolador, o que necessita
um tratamento especial para o encoder, com um índice de proteção (IP) maior que 52.
3.3.2 Confiabilidade
O sistema conta com um sensor para verificar a presença de matéria bruta na
máquina, e assim, evitar o funcionamento desnecessário das outras partes do sistema. A
máquina só começa a trabalhar após ser cadastrada uma medida de corte e a quantidade,
caso contrário, fica em estado stand-by, esperando este cadastro.
3.3.3 Usabilidade
Ao usuário ligar o sistema de controle de corte, o display solicita a medida desejada
para o corte e a quantidade. Em seguida, a máquina pode iniciar seu processo de
produção com o sistema de corte funcionando normalmente, o que torna o sistema
extremamente fácil e prático de operar. Sendo que a máquina parará ao produzir a
quantidade de lâminas desejadas, ao ser solicitado uma nova configuração, ou ao
usuário intervir por meio de um botão de emergência.
3.3.4 Eficiência
O sistema tem um processamento capaz de acompanhar a máquina alveoladora,
onde o cilindro alveolador tem uma rotação de aproximadamente 20 RPM.
3.4 Análise de arquitetura
Na figura 3.1 é possível observar um diagrama da arquitetura do sistema, os
componentes e como eles se relacionam.
31
Figura 3.1: Diagrama da arquitetura do sistema.
3.5 Análise de alternativas
Devido o sistema necessitar de uma resolução de 0,5 mm, sendo que o diâmetro do
cilindro alveolador é de 8,5 cm, foi necessário um encoder de 500 pulsos por volta.
Considerando a redução por meio de engrenagens para aumentar a precisão do encoder
na proporção de 1:3, o encoder necessário deve ser de 160 pulsos por volta, ou maior.
O teclado é protegido contra ambientes agressivos, do tipo membrana, próprio para
ambientes industriais, evitando mau funcionamento por respingos de produtos líquidos.
O microcontrolador tem 8 portas para o teclado + 1 para o encoder + 2 para a serial
+ 6 para o display LCD + 1 para o atuador + 1 para o sensor + 2 para luzes indicadoras
de presença de cera na máquina + 1 para o controle do motor principal da máquina,
necessitando de no mínimo de 22 pinos de E/S. O microcontrolador deve possuir
também interrupção externa, para ser conectado ao encoder.
O sensor presente na máquina deverá ser um do tipo barreira, para monitorar a
presença de matéria bruta na máquina (lâmina de cera).
32
CAPÍTULO 4 - IMPLEMENTAÇÃO
4.1 Hardware
Neste item são abordados os detalhes de hardware desenvolvido e implementado a
nível de protótipo para avaliação funcional do projeto.
4.1.1 Encoder
Foram solicitados orçamentos para 20 empresas do ramo de encoder. Destas, 13
responderam ao orçamento. O encoder mais viável tecnicamente, de acordo com as
especificações e de menor custo, foi da empresa Hohner de SP, cujas características
técnicas podem ser observadas abaixo:
Características Mecânicas:
Peso: 0,4 kg
Grau de proteção: IP54
Rotação máxima: 6000RPM
Carga radial máxima: 15 kg
Carga axial máxima: 15 kg
Características Elétricas:
Alimentação: 5 a 28 VCC
Corrente total máxima: 80 mA
Corrente máxima por saída: 20 mA
Freqüência máxima: 130 kHz
Temperatura de operação: - 10 a + 80 °C
Pulsos por giro: 200
Figura 4.1: Encoder incremental da série 58 (HOHNER, 2009).
33
Este encoder tem índice de proteção IP 54, protegido contra respingos de produtos
líquidos. Possui resolução de 200 pulsos/volta, estando acima de 160, a mínima
necessária ao projeto. O cabo deste encoder é blindado, evitando ruídos
eletromagnéticos presentes no ambiente industrial.
Para conexão ao microcontrolador, foi necessária a regulagem da tensão de
transferência de dados de 12VCC do encoder, adequando à tensão nominal de 5VCC
para o microcontrolador. Para a redução da tensão foi utilizado o regulador de tensão
com um diodo zener.
Figura 4.2: Regulador de tensão 5V com zener
4.1.2 Microcontrolador
Foi utilizado o microcontrolador PIC16F877A, devido a suas especificações técnicas
cumprirem os requisitos mínimos de projeto, como o número de entradas/saídas (E/S),
interrupção, alimentação, memória de programa e dados e capacidade de
processamento. O diagrama de pinos do microcontrolador PIC16F877A pode ser visto
pela figura 4.3.
34
Figura 4.3: Diagrama de pinos do Microcontrolador PIC16F877A (MICROCHIP, 2001)
4.1.3 Sensor de Presença
Foi implementado um sensor de barreira para identificar se há cera na máquina.
Utilizando para isto diodos emissores e receptores de infravermelho, um TIL32 e um
TIL78, cujo projeto esta na figura 4.4.
Para haver uma estabilidade na leitura do microcontrolador referente ao nível lógico
alto e nível lógico baixo, foi necessária a utilização de 3 resistores em série, totalizando
4 MΩ.
35
Figura 4.4: Circuito elétrico do sensor de barreira.
O sensor de barreira pode ser visto já implantado no protótipo na figura 4.5.
Figura 4.5: Imagem com detalhes do sensor de barreira para identificação da presença
de cera e da sinalização do atuador de corte.
36
4.1.4 Atuador
A sinalização do sistema de corte é representado pelo acendimento de um led, como
pode ser visto na figura 4.5.
4.1.5 Teclado
O teclado utilizado é do tipo membrana, com superfície lisa selado, conforme figura
4.6.
Figura 4.6: Teclado de superfície lisa.
A tecla asterisco (“*”) representa a ação “Configuração”, utilizada para alterar a
medida de corte e a quantidade. A tecla “#” representa a ação “Enter”, servindo como
confirmação da medida ou quantidade digitada.
Figura 4.7: Circuito elétrico de testes montado no Proteus 7.0.
Como pode ser acompanhado na figura 4.7, foi colocado um resistor de 10kΩ em
cada pino do microcontrolador que é conectado ao teclado e que tem a função de
entrada, feito isto para garantir o nível lógico baixo (0V) caso a tecla de leitura não
tenha sido pressionada. Quando a tecla é pressionada e a leitura referente a ela é feita, é
observada uma tensão de aproximadamente 4,89 V na entrada referente a ela, o que
representa nível lógico alto.
37
4.1.6 Display
O display LCD presente no projeto funciona por nible, sendo necessária apenas a
conexão dos 4 bits mais significativos do barramento de dados, ao invés dos 8 nominais,
como pode ser visto na figura 6.4.
4.1.7 Fontes de alimentação
O sistema desenvolvido pode ser alimentado com uma ou com duas fontes, conforte
a escolha por meio de uma chave seletora na placa de circuito impresso, observada na
figura 4.8.
Tanto a alimentação 1 como a alimentação 2 é de 12VCC.
A Alimentação 1 serve para o circuito em geral. Após alimentar o encoder com
12VCC, ela passa por um regulador de tensão (KA7805) que deixa a Tensão em 5VCC
para alimentar o microcontrolador, leds, e demais componentes do sistema.
O KA7805 tem uma corrente máxima de saída de 2,2 A.
A alimentação 2 serve para o motor principal, que funciona com 12VCC.
Se está selecionado apenas para uma alimentação (alimentação 1), é ela que também
alimenta o motor principal.
A alimentação 1 provem de uma fonte de computador, modelo AT, de 250W.
A alimentação 2 provem de uma fonte chaveada, com entrada de 100 até 240 VAC,
50/60 Hz, 0,2A. E saída de 12 VCC, 1,5 A.
4.1.8 Acionamento do motor
Para o microcontrolador PIC efetuar o controle do motor principal, que movimenta
toda a máquina, foi necessário o desenvolvimento de um sistema de potencia, onde foi
utilizado o TIP122, que é um transistor NPN com ganho típico hFE de 2500, corrente
máxima continua de 5,0A, e de pico de 8,0A.
Foi desenvolvido um sistema para evitar ruídos que estavam presentes no circuito,
conforme pode ser observado na figura 4.8. Existe um capacitor de 100nF e um resistor
de 10kΩ em paralelo entre a saída do PIC com o terra. Em paralelo com o motor, está
um diodo invertido, para evitar contra tensões.
38
Figura 4.8: Circuito elétrico de proteção e acionamento do motor.
4.2 Máquina
O protótipo mecânico do projeto, como pode ser visto na figura 6.3, foi
desenvolvido em conjunto com o engenheiro responsável, e apoio de um profissional da
área de mecânica.
4.2.1 Botão de emergência
Existe um botão de emergência, para caso ocorra qualquer problema, como por
exemplo: alguém colocar a mão dentro da máquina, ou ela começar a enrolar a cera nos
cilindros, ou qualquer coisa necessitando que o funcionário queira que a máquina pare
instantaneamente. Este botão pode ser visto na figura 6.3.
O seu funcionamento consiste em cortar a energia do motor principal. Para fazer a
máquina voltar a funcionar, basta pressionar o botão novamente.
4.3 Software
O firmware presente no microcontrolador PIC foi desenvolvido no software PIC C
Compiler CCS, versão 4.074.
Após o tratamento do sinal proveniente do encoder, ele é conectado à entrada de
interrupção externa do microcontrolador. Foi implementada uma função para tratamento
manual desta interrupção, conforme pode ser visto a seguir:
#int_global
void trata_int() {
salva_contexto();
if(bit_test(INTCON,2)){ //IntCon
atualizaTimer0();
#asm
39
BCF 0x0B,2
#endasm
}
restaura_contexto();
}
Ao ocorrer uma interrupção é chamada esta função, que salva os dados processados
no momento, verifica se a interrupção é do tipo externa, e chama a função
atualizaTimer0(), que pode ser vista a seguir:
#inline
void atualizaTimer0() {
if(qndeBitPassou >= medidaBit){
if(medidaBit >= 256){
set_timer0(0);
qndeBitPassou = 256;
}
else{
set_timer0(256 - medidaBit);
qndeBitPassou = medidaBit;
}
realizaCorte();
}
else{
if((medidaBit - qndeBitPassou) > 256){
set_timer0(0);
qndeBitPassou += 256;
}
else{
set_timer0(256 - medidaBit);
qndeBitPassou += (medidaBit - qndeBitPassou);
}
}
}
Nesta função, é verificada se a quantidade de pulsos gerados pelo encoder, desde o
último comando para execução de corte, é igual a quantidade necessária para realizar
outro corte, caso positivo, é acionado o corte por meio da função realizaCorte(). Como
40
se está utilizando a interrupção Timer 0, que só vai até 256 bits, é utilizada uma variável
para guardar a quantidade de bits correspondentes a quantidade de cera que já passou.
Na função realizaCorte(), é somado 1 a variável correspondente a quantidade de
lâminas que foram produzidas, é ativo a saída para realizar o corte, e é informado ao
sistema que o corte está ativo.
Fora esta função de interrupção, o microcontrolador tem um fluxo de dados que
pode ser visualizado na figura 4.9.
Na figura 4.10 pode ser analisado o fluxograma do software no microcontrolador no
modo configuração.
Figura 4.9: Fluxograma do software, com a inicialização e o modo funcionando.
41
Figura 4.10: Fluxograma do software, com o modo configuração.
Caso o sistema não se encontre no modo configuração, ele permanece rodando
constantemente (conforme pode ser acompanhado figura 4.9) uma sequência de
análises:
Verifica-se a existência de cera na máquina: é confirmado 3 vezes que existe
cera, para garantir a veracidade do mesmo, evitando falhas. Como a
velocidade do processamento em relação a máquina (20RPM) é muito maior,
não há problema de atrasos nesta verificação. Se houver cera, é acionado o
led verde referente ao mesmo, caso contrário, é acionado o led vermelho
(sem cera). Conforme o código a seguir:
if(!input(sensor)) { //entra se não tiver cera na máquina
if(tempSensor >= 2){
qndeBitPassou = 0;
output_high(led2); //liga o led vermelho (sem cera)
output_low(led); //desliga o led verde (com cera)
}
else{
tempSensor++;
}
}
42
else { //entra se tiver cera na máquina
if(tempSensor <= 0){
output_low(led2); //liga o led vermelho (sem cera)
output_high(led); //desliga o led verde (com cera)
}
else{
tempSensor--;
}
}
É Verificado se o corte está ativo: Caso o corte já tenha sido completado, o
mesmo é desligado e é enviada pela serial a medida da lâmina produzida.
if(corteAtivo) { //entra caso o corte estiver ativo
if(timeSaida == 0){
sprintf(strMedidaMM,"%ld" ,medidaMM);//conversão da medida
}
//de corte para string
timeSaida++;
if(timeSaida == 3) {
corteAtivo = 0;
timeSaida = 0;
output_low(saida); //desliga o corte
delay_ms(20);
puts(strMedidaMM);//envio da medida pela serial
delay_ms(20);
}
}
Atualiza-se os dados referentes a produção expostos no display LCD, que é a
medida do corte atual e a quantidade de lâminas produzidas.
lcd_escreve('\f'); //apaga LCD
printf(lcd_escreve, "Medida: %Lu mm", medidaMM);
lcd_escreve('\n'); //nova linha do LCD
printf(lcd_escreve, "Produzidas: %Lu", laminasProcessadas);
É aguardado um tempo para a atualização do Display LCD:
delay_ms(180) //espera 180 ms
Caso o botão Configurações “*” esteja pressionado, ou a quantidade de
lâminas solicitadas à produção já tenham sido feitas, o sistema é direcionado
para a função de Configuração do sistema (modoConf()).
43
if(input(pin_b7)
||
(laminasProcessadas
>=
quantidadeLaminas)){ //entra se pressionado o botão “*” ou
//finalizada a quantidade de lâminas solicitadas.
modoConf();
}
A função modoConf(), conforme pode ser acompanhado na figura 4.10, realiza as
seguintes funções:
Desliga o motor principal da máquina.
Solicita ao Usuário uma nova medida; conforme o usuário vai digitando os
números, eles vão aparecendo no display LCD e compondo a medida. É
necessário 3 dígitos para formar a medida, que se encontra em milímetros.
Neste momento o botão Configurações “*” não funciona mais, e o botão
Enter “#” só tem ação após o usuário ter informado os 3 dígitos. Caso o
usuário digite 4 dígitos, a medida é reiniciada, solicitando novamente 3
dígitos. Este número não tem restrições de valores, podendo chegar até 999,
representando 99,9 cm.
É chamada a função calculaMedida(), que realiza o cálculo referente à
quantidade de pulsos necessários para realizar o corte daquela medida.
É chamada a função modoConfQuantidade(), que solicita ao usuário a
quantidade de lâminas a serem produzidas. Número também composto por 3
dígitos, com as mesmas regras e interações que o modo de solicitação da
medida do corte.
O motor principal da máquina é ligado, dando funcionamento ao sistema.
O cálculo referente à quantidade de pulsos necessária para realizar o corte de uma
certa medida, é expresso pela fórmula a seguir:
Em que:
medidaBit é a quantidade de bits provenientes do encoder que representa a
medida de corte;
pulsosPorVolta é a quantidade de pulsos que o encoder gera para que o cilindro
efetue uma volta;
diametroCilindro é o diâmetro do cilindro por onde a cera irá passar.
Pi é a constante 3,14159265;
medidaMM é a medida em milímetros da medida de corte;
4.3.1 Varredura do teclado
Para saber qual a tecla pressionada, a função varre_teclas() realiza uma varredura no
teclado, seguindo a ordem da tabela 4.1.
44
Tabela 4.1: Seqüencia que é realizada a varredura das teclas.
Ordem de leitura:
Prioridade:
Tecla:
Código da Tecla:
1°
11°
3
3
2°
10°
6
6
3°
9°
9
9
4°
8°
#
13
5°
7°
2
2
6°
6°
5
5
7°
5°
8
8
8°
4°
0
0
9°
3°
1
1
10°
2°
4
4
11°
1°
7
7
Pode-se perceber que a tecla Asterisco “*” não participa desta varredura, pois sua
leitura ocorre diretamente no seu pino correspondente.
4.4 Placa
Antes da placa de circuito impresso final ser projetada, o circuito eletrônico foi
implementado e testado no programa ISIS Professional Proteus 7.0, conforme pode ser
visto pela figura 6.4.
Após as simulações do funcionamento, foi projetada uma placa de circuito impresso
para o projeto, como é mostrado na figura 4.11:
45
Figura 4.11: Placa de circuito impresso, com detalhes das conexões.
46
CAPÍTULO 5 – VALIDAÇÃO E RESULTADOS
5.1 Testes
Foram realizados testes com o sistema, por meio de folhas de papel que
representavam a cera, como é visto na figura 5.1.
Figura 5.1: Testes com o sistema onde uma folha de papel representava a cera.
A cada vez que o atuador era acionado, foi marcado na folha de papel, obtendo os
seguintes resultados:
Tabela 5.1: Testes realizados com a máquina
Valor programado:
10 cm
25 cm
1° medida
12 cm
28,5 cm
2° medida
11,5 cm
28 cm
3° medida
11,5 cm
28,5 cm
47
A partir deste teste, foi possível perceber que o método utilizado para efetuar o teste
não foi de extrema precisão, pois foi influenciado pela incerteza do operador das
medidas. Entretanto pode-se observar uma boa repetibilidade nas medidas.
Espera-se que com o sistema de corte na versão final, haja uma melhor precisão,
uma vez que quando o sistema de corte for acionado, ele efetuará o corte da cera
instantaneamente, não incorrendo em variações nas dimensões programadas.
5.2 Custos
Aqui se encontram os custos totais calculados se este projeto fosse realmente
desenvolvido em uma empresa, contando com custos de CEO, Gerente de Projeto,
Engenheiro, Equipamentos, Software, Insumos, Insumos Aplicados, Documentação e
Impostos.
Tabela 5.2: Custos totais para desenvolvimento do projeto.
R$ Total
Custo Mão de Obra
R$ 36.620,00
Equipamentos
R$
5.841,00
Softwares
R$
2.847,00
Insumos
R$ 19.179,30
Insumos Aplicados
R$ 1.144,80
Documentação
R$
Total:
R$ 66.010,10
+ Impostos 35,7 %
R$ 36.649,46
Total do Projeto
R$ 102.659,56
318,00
Maiores detalhes destes custos podem ser vistos na tabela 6.1 e tabela 6.2.
O custo para desenvolver o projeto, como aconteceu, consiste do custo com Insumos
Aplicados e o Custo com a Documentação, resultando um total de R$ 1.462,80.
48
CAPÍTULO 6 - CONCLUSÃO
O sistema de controle para realização do corte efetua o cálculo das dimensões das
lâminas por meio das medições de pulsos provenientes do encoder realizando o corte
automaticamente.
Apesar das medidas com erro absoluto maior que o desejável (0,5 cm), o erro
relativo foi igual ou menor a 0,5 cm, com boa repetibilidade nas medidas, indicando um
erro no processo de medida, relacionado principalmente ao método e a falta do
elemento eletropneumático de corte que efetuaria os cisalhamentos de forma rápida e
precisa.
Alguns elementos mecânicos da eleboração do protótipo devem ser melhorados,
contribuindo para a precisão das medidas e cortes das lâminas.
Problemas encontrados:
Foram identificados problemas com ruídos no sistema gerados pelo motor e
pelas engrenagens, tornando o sistema instável, mas que foram corrigidos;
Outra barreira encontrada foi no desenvolvimento das partes mecânicas do
projeto, já que não é um foco do curso a mecânica;
Sugestões de Implementação:
Fica como sugestão de implementações futuras o acionamento de uma
válvula eletropneumática para realizar o corte das lâminas;
Desenvolvimento de um software de gerenciamento da produção via
computador;
O projeto aqui desenvolvido é simulado em um protótipo mecânico, com motor,
engrenagens e peças representando a máquina real, mas são diferentes. Para a
implantação deste projeto na empresa, deverá ser feito um controle de potência para o
motor AC da máquina alveoladora, dentre demais peças, como engrenagens especificas
para a máquina.
49
REFERÊNCIAS
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Produtos. 1. ed. Jaboticabal – SP – FUNEP: [s.n.], 1996
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DUARTE, Renata Barbosa de Araújo. Histórias de sucesso: agronegócios:
apicultura. 1. Ed. Brasília: SEBRAE, 2006.
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8051 com linguagem C: prático e didátido: família AT89S8252 atmel. 2. ed. São
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Pinho Filho – Cuiabá: SEBRAE/MT, 1997.
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a História. Disponível em: <http://www.saudeanimal.com.br/abelha0.htm>. Acesso em:
outubro de 2009.
51
GLOSÁRIO
Alvéolo: cada uma das células que arranjam o favo. Tem formato hexagonal e são
construídos de cera de abelha. Os alvéolos são utilizados para armazenamento de mel,
pólen e para o desenvolvimento das larvas de zangões e operárias.
Cera: resina produzida pelas abelhas para a construção dos favos.
Apiário: conjunto de colméias.
Caixa: nome dado à colméia construída pelo homem.
Cera alveolada: lâmina de cera prensada, que apresenta de ambos os lados o relevo
dos alvéolos, que servirá de guia para as abelhas construírem os favos. A cera alveolada
economiza grande trabalho das abelhas, liberando-as para outras atividades inclusive a
produção de mel.
Colméia mobilística: o tipo de caixa empregada pelos apicultores, constituída de
peças móveis, o que facilita o seu manejo.
Favos: conjunto de alvéolos, construídos em cera onde se desenvolvem as larvas de
operárias e zangões e utilizados para armazenamento de mel e pólen.
Glândulas cerígenas: responsáveis pela produção de cera.
Operárias: são as abelhas responsáveis por todos os trabalhos de higiene da colméia,
coleta de alimentos, construção dos favos, alimentação da rainha e dos zangões e da
defesa da família. São denominadas, conforme a idade e respectiva atividade
desenvolvida: faxineiras, nutrizes, engenheiras e campeiras. Vivem em torno de 30 dias.
Zangões: são os machos das diversas espécies de abelhas sociais. Caracteriza-se pelo
porte superior às operárias e pela ausência de ferrão. Alheio às atividades de
manutenção da colméia, não produz mel e possui apenas papel reprodutor.
Incrustação: Ato de “colar” a cera alveolada nos caixilho por meio de cera de abelha
quente.
Aramação: Ato de colocar arame no meio dos caixilhos, para ser colocada
posteriormente a cera alveolada.
Centrifugação: Ato de centrifugar os caixilhos, para que seja retirado o mel dos
alvéolos.