Exercícios Usando o Protótipo

Para ajudar no desenvolvimento do software vou passar uns exercícios para que possam ir conhecendo o hardware e aprender a controlar os dispositivos.
Dessa forma vamos fazendo os pedaços depois fica mais fácil de juntar tudo.

Lembram do circuito que foi colocado no simulide, o mesmo foi montado no prototipo. Mantenham os mesmos nomes de pinos para facilitar os testes nas plataformas.

https://i.servimg.com/u/f49/20/03/27/82/circui10.jpg

Os detalhes dos pinos do arduino são esses de baixo.

https://i.servimg.com/u/f49/20/03/27/82/pinos-11.jpg

Vou colocar os exercícios e as dicas, o resto voces já estão acostumados.

    ============== IMPORTANTE ===================    

Na placa Eletronica da fonte (placa verde) possui TENSÕES ELEVADAS e podem dar CHOQUE ELÉTRICO portanto evitem tocar nos componentes com o circuito ligado.

Se abrir a caixa, retire o cabo da tomada antes de tocar nos circuitos, antes de ligar feche a tampa

No modulo do LED tem o chip de potencia que é alimentado pela rede elétrica e também pode dar choque elétrico, evite tocar nos contatos com o equipamento ligado. Antes de tocar nessa peça certifique-se que o cabo esta desconectado da rede elétrica.

ATENÇAO: Não basta desligar a chave, RETIRE DA TOMADA.

============== CUIDADO COM OS OLHOS =====================

O led de potencia tem intensidade muito alta e pode prejudicar a visão se olhar diretamente a ele

MANTENHA O LED SEMPRE VIRADO PARA BAIXO ANTES DE LIGAR NA TOMADA

Evite levantar o dispositivo e olhar diretamente para o led

============ PARTES AQUECIDAS =========================

Quando for tocar em componentes , já retirou da tomada, não olhou para o chip de LEDs,

CUIDADO que podem haver COMPONENTES na placa AQUECIDOS assim como o dissipador de calor e pode queimar sua mão,

Tome cuidado e tente perceber se não está aquecido antes de tocar 

Bom Desenvolvimento.

Exercício 01 - Teste dos LDRs

Atividade: Testar se os LDRs estão funcionando adequadamente e os valores obtidos para calibração
Hardware - Conectar o cabo Interno e Externo nos sensores 4 em 1, automaticamente os LDRs estarão conectados nos pinos A0 e A1
Descrição: Fazer o setup do LDR no arduino e enviar para porta serial os valores obtidos, variar a luminosodade dos LDRs e monitorar as alterações dos valores na porta serial.

Exercício 02 - Teste do sensor DHT-11

Atividade: Instalar a biblioteca do sendor DHT no arduino, fazer o setup do sensor e enviar para porta serial os valores de temperatura e humidade dos sensores interno e externo
Hardware - Conectar o cabo Interno e Externo nos sensores 4 em 1, automaticamente os DHT estarão conectados nos pinos D4 e D7
Descrição: Para instalar a biblioteca seguir os passos desse tutorial https://projecthub.arduino.cc/arcaegecengiz/using-dht11-12f621 ou desse https://www.blogdarobotica.com/2020/10/29/medindo-temperatura-e-umidade-usando-o-sensor-dht11/
Dica01 - Usar o gerenciador de biblioteca para incluir esse sensor
Dica02 - O segundo tutorial tem as dicas mais detalhadas

Código:

/*
 *  Exercício 01 - Teste dos LDRs

Atividade: Testar se os LDRs estão funcionando adequadamente e os valores obtidos para calibração
Hardware - Conectar o cabo Interno e Externo nos sensores 4 em 1, automaticamente os LDRs estarão conectados nos pinos A0 e A1
Descrição: Fazer o setup do LDR no arduino e enviar para porta serial os valores obtidos, variar a luminosodade dos LDRs e monitorar as alterações dos valores na porta serial.
 */
#include "DHT.h"
 
#define pinAmostraEletrica 2  // Amostra da rede para sincronizar em fase
#define pinServo          3  // Define o pino do servo para direcionar o calor para dentro da estufa
#define pinDhtExt          4  // Sensor de umidade e temperatura fora da estufa
#define pinBombaExt        5  // Aciona a bomba de irrigação fora da estufa
#define pinBombaInt        6  // Aciona a bomba de irrigação dentro da estufa
#define pinDhtInt          7  // Sensor de umidade e temperatura dentro da estufa
#define pinCarga          8  // Aciona o Led de potencia
#define pinCooler          9  // Liga os ventiladores para exaustao e resfriamento do LED
#define pinTecla1          10 // Tecla UP
#define pinMOSI            11 // Pino de comunicacao com cartão SD
#define pinMISO            12 // Pino de comunicacao com cartão SD
#define pinTecla2          13 // Tecla DOWN
#define DHTTYPE            DHT22  // Define o tipo de sensor DHT (DHT11) no prototipo DHT22 no simulador
#define pinLdrExt          A0  // Sensor de luminosodade Externo
#define pinLdrInt          A1  // Sensor de luminosodade Interno
#define pinNtcCooler1      A2  // Sensor de Temperatura do COOLER1
#define pinNtcCooler1      A3  // Sensor de Temperatura do COOLER2
#define pinSDA            A4  // comunicação i2c SDA
#define pinSCL            A5  // comunicacao i2c SCL
#define pinHumSoloExt      A6  // Sensor de humidade do solo fora da estufa
#define pinHumSoloInt      A7  // Sensor de humidade do solo dentro da estufa

//////// VARIAVEIS DE INICIALIZACAO \\\\\\\\\

DHT dhtI(pinDhtInt, DHTTYPE);
DHT dhtE(pinDhtExt, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.print("Interno= ");
  Serial.print(analogRead(pinLdrInt));
  Serial.print(" Externo= ");
  Serial.print(analogRead(pinLdrExt));
  Serial.print(" dhtI H= ");
  Serial.print(dhtI.readHumidity());
  Serial.print(" dhtI T= ");
  Serial.print(dhtI.readTemperature());
  Serial.print(" dhtE H= ");
  Serial.print(dhtE.readHumidity());
  Serial.print(" dhtE T= ");
  Serial.println(dhtE.readTemperature());
 
}

Exercicio 03 - Instalar o display I2C no arduino e enviar os dados de temperatura , humidade e Luminosidade

Hardware - Hardware - Conectar o cabo Interno e Externo nos sensores 4 em 1
Atividade: Instalar a biblioteca do displai I2C e enviar os dados dos sensores anteriromente configurados
Dica01 - Os pinos do display já estão conectados na interface I2C
Dica02 - Usar  tutorial  https://www.arduinoecia.com.br/modulo-i2c-display-16x2-arduino/
Dica03 - Não usar os textos do tutorial, somente as dicas de setup

Exercício 04 - Montar a lógica do teclado

Atividade: Configurar as duas teclas para navegar nas opções do display
Hardware: usar as teclas já conectadas nos pinos D12 e D13
Dica01 - Montar um menu de 4 opções sendo 01 - Temperatura, 02 - Luminosidade, 03 - Humidade do solo, 04 - Humidade do Ar
Dica02 - Quando teclar para cima ou para baixo navegar um cursor entre as opções
Dica03 - Quando pressionar as duas teclas ao mesmo tempo interpretar como SEL e mostrar o valor do sensor
Dica04 - Para funcionar esse código deve considerar como acionamento quando a tecla for depressionada

Exercício 05 - Controle de potencia do LED

Atividade: Configurar a Interrupção 0 e sincronizar com a rede elétrica
Hardware: Ativar a interrupção 0 no pino 2 e a saída do controle de potencia no pino 8
Dica01 - Usar o osciloscópio para monitorar a fase da rede elétrica, sinal de interrupção, disparo do TRIAC, Sinal na carga
Dica02 - A tensão na rede elétrica é de 60HZ, mas quando retificado em onda completa vira um sinal de 120Hz
Dica03 - O controle será pelo período, que matematicamente é o inverso do período = 1/120 = 8,3333ms ou 8333us
Dica04 - O TRIAC (controle de potencia) precisa de um pulso de disparo no pino gatilho, daí conduz até que a corrente que passa por ele seja igual a zero.
Dica05 - Pelo manual o pulso de disparo do TRIAC deve durar no mínimo 22us , no programa pode usar um pulso pouco mais largo
Dica06 - Quando mais cedo dispara o TRIAC no ciclo, maior é a potencia transferida para a carga, e quanto mais tarde menor a potencia.
Dica07 - Então o tempo para realizar o disparo é inversamente proporcional a potencia que se deseja transferir para a carga
Dica08 - Receber do terminal o valor percentual da potencia que deseja transferir para a carga e aciona-la

Código:

/*
 * ***** PROJETO DA HORTA DA HORA *******
 * OBJETIVO: Comprovar o desenvolvimento mais rápido de plantas alimentícias em ambiente com clima mais estável
 * METODOLOGIA:
 * 1 - Usar uma estufa montada na horta da escola e com microcontrolador controlar a exposição a luz, temperatura e humidade do solo,
 * 2 - Coletar dados do ambiente controlado e do ambiente exposto as variações do meio ambiente,
 * 3 - Os dados coletados serão temperatura, luminosidade, humidade do solo e do ar
 * 4 - Os atuadores serão LED fullspectrum e motores de irrigação
 * HARDWARE:
 *
 */

//DEFINICOES INICIAIS
#define pinCarga 8            //Pino ligado ao TRIAC para dontrole da potencia na carga
#define pinAmostraEletrica 2  //Comparador de tensão para sincronismo de fase com rede elétrica, interrupção 360us antes do 0 RAD
#define pinCooler 9

//DECLARAcAO DE VARIAVEIS GLOBAIS
volatile int potencia = 7000;   //variavel para guardar a potencia enter 0 e 8333
volatile long tempo0rad; //Variavel que vai guardar o momento que a senoide da rede elétrica passou pelo zero volts
volatile long disparo; // guarda o resultado da conta do tempo que deve ser disparado o TRIAC conforme potencia
volatile int periodo = 1000000/120; // assume o valor do periodo de 60Hz que é retificado vira 120HZ e igual a 8333,33 microsegundos
int pulso = 100; //pulso de 100 microsegundos para disparo, datasheet informa que acima de 2us é suficiente
volatile byte interrompido = 0; //variavel de controle da interrupção, disparo e fim do pulso após o periodo programado

//INICIALIZAÇÃO DO HARDWARE
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(pinAmostraEletrica, INPUT); //pino que vai receber o resultado do comparador de tensão
  pinMode(pinCarga, OUTPUT);          //pino que vai ser usado para disparar o TRIAC, controlador de potencia
  attachInterrupt(0, carga, CHANGE); //Habilita a interrupção
}

//FUNÇÕES COMPLEMENTARES
// Função da Interrupção
void carga(){  
  tempo0rad = micros(); //guarda o tempo em que ocorreu a interrupção, aqui sincroniza com a rede elétrica
  interrompido = 1; //quando igual a 1 informa que foi interrompido
  disparo = tempo0rad + potencia; // valor do tempo que deve realizar o disparo do TRIAC
}

//PROGRAMA PRINCIPAL
void loop() {  
  digitalWrite(pinCooler, HIGH);
  if(Serial.available()){ //Recebe o valor percentual da potencia da carga pelo terminal
    potencia = Serial.parseInt();    // Converte para inteiro, sem tratar erros (experimental)
    potencia = map(potencia, 0, 100, periodo, 0); //Aqui converte a potencia recebida no tempo de disparo
  }  
  if(micros() > disparo and interrompido == 1){ //Quando passar do tempo do disparo
    if(micros() - tempo0rad > potencia / 2){    // Controle do erro, se isso não for verdade é erro
      digitalWrite(pinCarga, HIGH);   //Aciona o pino que vai fazer o disparo do TRIAC e transferir a tensão para a carga
      interrompido = 2;    // Informa que foi disparado
    }
  }
  if(micros() > disparo + pulso and interrompido == 2){ //Se foi disparado e o tempo do pulso foi cumprido
    digitalWrite(pinCarga, LOW); //Baixa o sinal do pino de disparo (linha vermelha do osciloscopio no video)
    interrompido = 0;    // Informa que acabou o ciclo e aguarda nova interrupção.
  }
}

Exercício 06 - Usar um dos LDR para controlar o LED de potencia

Atividade: Associar os programas já desenvolvidos para oLDR para controlar a carga
Hardware: usar a interrução 0 , controle da carga e leitura do LDR
Dica01 - Receber o valor do LDR, fazer a calibração e transformar em valor percentual
Dica02 - Usar o valor percentual recebido pelo LDR para controlar o tempo de disparo do TRIAC, controlando a potencia da carga
Dica03 - Fazer o controle inversamente proporcional, quando tiver escuro acende e quando tiver claro apaga o led

Exercício 07 - Gravar dados na EEPROM do Arduino

Atividade: Aprender a usar a memória nõ volátil para guardar os dados coletados dos sensores
Hardware: Ativar e usar a memória EEPROM do arduino
Dica01 - https://docs.arduino.cc/learn/built-in-libraries/eeprom
Dica02 - https://docs.arduino.cc/learn/programming/eeprom-guide
Dica03 - Gravar um dado na memória e fazer a leitura do dado
Dica04 - A memória EEPROM tem validade de 100.000 ciclos, então não pode ser usada com alta frequencia , pois vai danificar após esse ciclo

Exercício 08 - Elaborar a organização dos dados na EEPROM e elaborar o programa para escrita e leitura dos dados

Atividade: Organizar quais dados serão guardados na memória EEPROM e montar o plano para armazená-los , fazer o memso para a leitura e envio pela serial
Hardware: Ativar e usar a memória EEPROM do arduino
Dica01 - Selecionar os dados a serem armazenados e a sequencia que serão guardados
Dica02 - Deve usar campos específicos para guardar o tempo de inicio das amostras, usado para freferencia temporal
Dica03 - Converter os valores para volres até 255, para ocupar menos memória EEPROM
Dica04 - Fazer um menu para selecionar a gravação e a leitura dos dados dos sensores
Dica05 - Quando enviar os dados pela serial enviar com o tempo, ordem dos dados e lables

Exercício 09 - Elaborar estrutura de controle de tempo cadenciando o controle do LED, leitura de sensores, controle de manu, exportação de dados.

Atividade: Elaborar o controle dos tempos de execução de cada atividade pensando na aplicação real na horta
Hardware: LDR, DTH, LEd de potencia, Interrupção, EEPROM
Dica01 - Elaborar um grupo de variáveis para servir de setup, onde ficarão armazenados os tempos de cada ciclo do programa
Dica02 - Enumerar todas as rotinas que deverão ser realizadas pelo processador
Dica02 - Distribuir as rotinas do software conforme os tempos prédefinidos no setup

Exercício 10 - Testes e Calibração do sensor de Humidade do solo

Atividade: Definir as estratégias para monitorar a humidade do solo e calibrar o sensor de Humidade
Hardware: Sensor de Humidade do solo, Vaso com terra seca e água
Dica01 - Instalar o sensor de Humidade do solo, configurar a entrada analógica e coletar o valor obtido antes de colocar no solo
Dica02 - Coletar 1kg ou outra massa conhecida colocada em um vaso, enterrar os sensores nessa terra seca até cobrir a parte exposta dos sensores, e coletar o valor obtido nessa condição
Dica03 - Colocar 50ml de água no vaso e aguardar a água humidecer toda a terra. Nesse ponto terá no vaso 1Kg de terra + 50ml de água. Logo 5% de humidade no solo
Dica04 - Anotar o valor lido pelo sensor para 5% de humidade e repetir o processo até a terra ficar enxarcada
Dica05 - De posse dos valores dos sensores para cada escala de humidade, determinar qual valor deve acionar a bomba e qual deve desligar a bomba

Exercício 11 - Testes de vasão da bomba e distribuição das mangueiras

Atividade: Determinar as características do sistema de irrigação para definir as variáveis de controle das bombas
Hardware: Sensor de Humidade do solo e Bombas de iirgação, Reservatório de água, mangueiras já no layout a ser instalado na horta
Dica01 - Colocar 1 litro de água no reservatório, acionar a bomba na potencia máxima e cronometrar o tempo para esgotar essa quantidade de água
Dica02 - Determinar a massa de terra a ser humidecida, quantidade de água, humidade ideal para a planta, limites de acionamento e corte da bomba
Dica03 - Realizar os testes práticos e determinar se o resultado obtido está conforme os cálculos realizados
Dica04 - Implantar as funções de controle da bomba no sistema determinando os períodos de testes, acionamentos e corte da bomba

Exercício 12 - Autoteste de funcionamento dos sensores

Atividade: Elaborar uma função para checar se todo o hardware está funcionando adequadamente, gerar alarmes caso haja falhas detectadas
Hardware: Todos os componentes do protótipo de controle de clima na horta
Dica01 - O LDR tem um valor máximo e minimo, se ficar aberto ou em curto os valores ficarão fora desses valores e indicam falha de contato elétrico
Dica02 - Nos testes do Sensor de humidade usa a mesma estratégia dos LDRs
Dica03 - Os sensores DHT tem rotinas de controle de erro da própria biblioteca, implantar esses controles na rotina
Dica04 - O led de potencia pode ser acionado e usar o LDR para peceber se houve variação e assim detectar se está funcionando
Dica05 - O sistema de irrigação pode perceber se houve falha assim que for acionado, pois deve detectar que houve irrigação, se não detectar variação, acabou a agua ou falhou a bomba
Dica06 - Checar se existe espaço na EEPROM para guardar os dados das coletas
Dica06 - Avaliar outras oportunidades / necessidades de testes
Dica07 - Montar no menu opção de autoteste e manter rotina de teste com indicação de falhas

Exercício 13 - Controle da temperatura do LED

Atividade: Fazer a leitura do NTC que está instalado no dissipador de calor e controlar o Cooler para controlar a temperatura.
Hardware: Acionamento de potencia do LED, NTC , Cooler,
Dica01 - Medir a temperatura do dissipador e o valor do NTC quando frio e repetir o processo quando aquecido.
Dica02 - Na função map() colocar esses valores e detectar a linearidade da escala, conferindo se as temperaturas medidas e calculadas estão próximas.
Dica03 - Acionar o cooler conforme a temperatura aumenta para manter o dissipador o mais frio possível

Exercício 14 - Determinar a eficiencia do LED

Atividade: Com base nos dados do sistema aplicar os calculos de calorimetria e determinar quanto o chip emite de luz e quanto de calor
Hardware: Lampada de LED e dissipador de calor
Dica01- Para determinar a eficiencia isolar termicamente o dissipador, evitando ao máximo as perdas de calor para não interferir nas medições
Dica02 - Ligar a lampada de LED na potencia máxima, quando cosome 50 Watts
Dica03 - Monitorar em quanto tempo a temperatura sobe 10 graus celcius ( ou outro valor que acharem conveniente para cálculo)
Dica04 - A massa de aluminio do dissipador é de 111 gramas, e o calor específico do AL é de 0,22 cal/g/oC (calorias por grama por grau Celcius)
Dica05 - Dado 1 cal = 4,1868 J , e 1 Joule = 1Watt por segundo
Dica06 - Se a lampada tem 50W e consome 50 Joules por segundo, parte dessa energia é transformada em Luz e parte em calor. Determine a parte em calor e a eficiencia é proporção Luz/Calor.

Exercício 15 - Controle do Fluxo de Ar

Atividade: Controlar o servo conectado na borboleta do tubo no fluxo de ar do cooler, abrir para que o ar saia e refrigere a estufa, e feche para desviar o ar quente para dentro da estufa
Hardware: Cooler, Servo,
Dica01 - Usar a biblioteca para controle de servo motor para movimentar o servo
Dica02 - No site do arduino tem um tutorial https://docs.arduino.cc/learn/electronics/servo-motors
Dica03 - Fazer um programa utilizando as teclas para aumentar e reduzir o valor de uma variável que será usada para controlar o angulo do servo
Dica04 - Determinar qual o valor deve ser escrito para o servo assumir a posição da borboleta aberta
Dica05 - Determinar qual o valor deve ser escrito no servo para a posição fechada