quinta-feira, 17 de junho de 2021

 

Projeto de Sistema de Segurança Automatizado de Monitoramento de Monóxido de Carbono


Universidade Federal de Lavras

Projetos de Física Experimental I
Turma Especial 


Integrantes do grupo

Ana Luiza de Paiva Silveira            

Otávio José de Rezende Silveira

 

1 - Introdução:

A partir da desenfreada urbanização do mundo moderno e da gentrificação de determinadas áreas urbanas, o preço de um lote em áreas centrais das grandes cidades no Brasil aumentou consideravelmente [1]. Desse modo, umas das opções mais adotadas hoje em dia pelos prédios, mercados e shoppings é a construção de um estacionamento subterrâneo ou fechado, visando um melhor aproveitamento do espaço do lote. [2]

Porém, com a utilização de espaços fechados alguns problemas acabam sendo desencadeados, como a má circulação de ar no ambiente, causando uma acumulação de gases. Em casos de estacionamentos, o problema torna-se ainda mais acentuado devido a livre circulação de automóveis em sua maioria movidos a combustão interna.

Os automóveis são hoje uns dos maiores causadores de poluição urbana, tal fato se dá em decorrência da grande emissão de gases provenientes da combustão interna. Segundo estudos da OMS, cerca de 90% da população mundial está em contato com níveis de concentração de poluentes acima do recomendado. [3]

Essas emissões são constituídas de gases como: hidrocarbonetos (HC), óxidos de enxofre (SOx), óxidos de nitrogênio (NOx), material particulado (MP), monóxido de carbono (CO), dentre outros. Dentre esses gases citados, alguns possuem uma alta toxicidade, como é o caso do monóxido de carbono, gás que ao ser inalado diminui a capacidade de transporte de oxigênio no sangue. [3]

O monóxido de carbono (CO) é um gás produzido a partir da combustão incompleta de matéria orgânica. Ele é tóxico, inodoro, incolor e insípido o que o torna difícil de ser detectado por humanos. Em geral, para concentrações de 100 ppm ou superiores, o CO é prejudicial à saúde humana e pode causar dor de cabeça, desmaio, tonturas e em casos extremos a morte de quem o inala. [4]

Porém, cada pessoa pode começar a sentir os sintomas da intoxicação por monóxido de carbono em diferentes concentrações e diferentes tempos de exposição a esse agente. Isso ocorre, devido às diferentes doenças crônicas de cada pessoa, como doenças vasculares que podem piorar o quadro da intoxicação. [21]

Desse modo, com a intenção de proteger a todos os tipos de pessoas, algumas organizações adotam limites toleráveis de monóxido de carbono. Do ponto de vista da OMS, Organização Mundial da Saúde, para ajudar os países a desenvolverem melhores padrões de qualidade de ar, o limite de CO deve ser de 9-10 ppm por 8 horas, 25-35 ppm por 1 hora, 90-100 ppm por 15 minutos. Já para a OSHA, Associação de Segurança e Saúde Ocupacional dos Estados Unidos, o limite de exposição pessoal é de 50 ppm por 8 horas. [22]

Tendo isso em vista, nos deparamos com um grave problema, o acúmulo de monóxido de carbono em estacionamentos subterrâneos ou fechados. Fato que coloca em risco a saúde de milhares de pessoas todos os dias. Dessa forma, para sanar essa adversidade, é preciso criar um sistema de segurança automatizado que consiga monitorar, fazer alertas e, quando necessário, reduzir a concentração de monóxido de carbono em ambientes fechados em geral, principalmente de estacionamentos e garagens fechadas.

Portanto, com o auxílio de um arduino, sensores e componentes eletrônicos será desenvolvido um sistema de segurança automatizado contra o acúmulo de monóxido de carbono em ambientes fechados. Projeto que promoverá uma segurança e um bem-estar à saúde humana.



2 - Objetivo Geral:

Um dos principais problemas relacionados aos estacionamentos fechados ou subterrâneos é a falta de circulação de ar no local, causando uma acumulação de gases. Tendo em vista que em um estacionamento possui a livre circulação em automóveis, vários gases são liberados no local decorrente da queima de combustível. Um deles é o gás monóxido de carbono (CO), gás de alta toxicidade, inodoro, insípido e incolor. Devido às suas propriedades, torna-se um gás de difícil detecção pelo ser humano, porém o mesmo pode provocar várias intercorrências à saúde humana como dor de cabeça, tonturas, desmaio e em casos graves levando uma pessoa a óbito. [5]

Portanto, torna-se extremamente necessária a detecção e análise da concentração desse gás em um ambiente fechado, como em estacionamentos subterrâneos de shoppings e mercados. Locais que possuem uma alta movimentação de automóveis, geradores de monóxido de carbono pela queima incompleta de combustível, além de uma frequente circulação de pessoas, possíveis vítimas de intoxicação por monóxido de carbono.

Com o atual projeto, objetivamos monitorar a concentração de monóxido de carbono e promover a circulação de ar quando necessário, contribuindo para a saúde dos usuários do local ao ligarmos o exaustor. Desse modo, o decorrente projeto abrange dois objetivos de desenvolvimento sustentável da ONU, dentre eles o objetivo três: saúde e bem-estar, o objetivo nove: indústria, inovação e infraestrutura. [6]

3 - Objetivo Específico:

O objetivo do projeto é construir um circuito que mede a concentração de monóxido de carbono (CO). A partir dos dados coletados, faremos uma análise e interpretação desses, para que quando a concentração de CO exceda o valor estipulado haja o acionamento imediato de um exaustor, garantindo assim a retirada de gás do ambiente e promovendo um cuidado à saúde humana. 

Ademais, os dados de concentração de monóxido de carbono coletados serão mostrados instantaneamente em um display de LCD, além do status de intoxicação que o ambiente estará apresentando momentaneamente, apresentando a depender da concentração de CO os seguintes alardes: status normal, status de atenção e status crítico. Por sua vez, quando se mostrar necessário, faremos alertas com o acionamento do buzzer e dos LEDs verde, amarelo e vermelho a depender da faixa de concentração do monóxido de carbono.

4 - Metodologia:

Para resolver o problema já definido, foi usado uma placa Arduino UNO R3 para controlar as principais funções do circuito e um sensor de monóxido de carbono MQ-7 com o objetivo de coletar dados do ambiente. Como forma de transmitir os dados coletados para os usuários, será usado um visor LCD, um buzzer e LEDs. Por fim, dependendo dos dados coletados, um cooler (que representa um exaustor) foi ligado ou desligado.

Ao decorrer do projeto, percebemos que o cooler de 12V não conseguiria atingir a sua máxima eficiência apenas pela alimentação do arduino. Além disso, o cooler de 5V apresentava um alto valor agregado, proporcionando um custo benefício relativamente baixo. Desse modo, optou-se pela construção de um exaustor por meio de um motor CC. Para a construção desse exaustor, observou-se que ao desligar o exaustor, a hélice do mesmo continuava girando por um pequeno intervalo de tempo. Sendo assim, caso o pino positivo do motor fosse conectado diretamente ao pino do arduino, ao desligar o exaustor ele produziria uma corrente de pico que queimaria o pino do arduino. 

Visando a resolução desse problema, foi criado um circuito que funcionasse em conjunto com o arduino, porém que fornecesse toda energia necessária para rotação do motor e que ao mesmo tempo não transmitisse uma corrente de pico para o pino do arduino. Para isso, utilizou-se uma bateria de 9V, um resistor de 10kΩ, um transistor NPN - BD135 e um diodo 1N4007  [18], montado de acordo com a figura a seguir:

Fig. 1 - Circuito elétrico de funcionamento do exaustor.

Sendo assim, o exaustor foi constituído de uma hélice acoplada ao motor CC. A hélice em questão foi construída com materiais simples encontrados em casa. Suas pás foram  feitas de plástico e a base que fica unida ao motor é feita de um lápis como mostra a figura a seguir. Além disso, as partes foram cortadas com tesoura, furadeira e uma serra pequena, posteriormente, os itens foram colados com cola de madeira e cola instantânea.

Fig. 2 - Montagem do exaustor.

O sensor MQ-7 usa SnO2 (dióxido de estanho) como material sensitivo. Quando imerso em ar limpo, esse material possui baixa condutividade e em ar com concentrações altas, possui condutividade alta. Sua tensão de operação é 5V e é capaz de medir concentrações entre 10 a 10000 ppm. Possui tensão digital ou analógica que pode ser ajustável por potenciômetro [7].

Um problema que nos deparamos, é com relação ao funcionamento do sensor MQ-07. Diferentemente dos outros sensores da linha MQ, este sensor não funciona continuamente. Seu funcionamento ocorre com relação a dois ciclos, o ciclo de aquecimento e o ciclo de coleta de dados. O ciclo do aquecimento dura 60 segundos e o sensor deverá estar ligado a uma voltagem de 5V, para que ele se aqueça e evapore a porção de monóxido de carbono impregnada no sensor durante o ciclo de coleta de dados. Já o ciclo de coleta de dados dura 90 segundos e o sensor deverá estar ligado a  uma diferença de potencial de 1,4 V, para que o sensor consiga fazer a coleta de dados do modo mais preciso possível. Ao final do ciclo de 90 segundo é que ocorre a leitura dos dados do sensor [15].

Para resolver esse problema, será utilizada a técnica de PWM, dessa forma, por meio de uma porta digital, pode-se variar a tensão que chega no sensor. Com isso, para o melhor funcionamento do projeto, por meio da programação do arduino é possível controlar os ciclos de funcionamento do sensor e entregar a diferença de potencial necessária para cada ciclo. [19]

Além do mais, a calibração do sensor para seu correto funcionamento foi feita da seguinte forma: o sensor foi pré-aquecido (colocado em funcionamento) por 48h, período o qual o ciclo de 60 e 90 segundos fica ativo. Com a realização deste procedimento, o sensor começa a produzir respostas mais precisas e estáveis sobre os dados que está fornecendo para a análise [15].

Outro problema que nos deparamos com relação ao sensor, é a função que relaciona o valor lido pelo sensor com a concentração em ppm. O datasheet do sensor MQ - 07, não contém essa informação, possui apenas um gráfico que relaciona de forma não linear a resistência do sensor sobre a resistência do sensor a 100 ppm de CO em ar limpo (R/R0) pela concentração em ppm (C)[15].. Como mostrado a seguir:

Gráfico 1 - Gráfico presente no datasheet do sensor MQ - 07.

Desse modo, tivemos que desenvolver nossa própria equação que se aproxima-se da equação desejada. Primeiramente coletamos os pontos presentes no gráfico do datasheet e com o auxílio do software Geogebra plotamos esses pontos em um outro gráfico, porém que apresentasse um escala linear para que pudéssemos descobrir de qual função se tratava. Por meio desse procedimento, chegamos no gráfico a seguir.

Gráfico 2 - Gráfico de (R/R0) em Ω vs concentração em ppm, como escala linear dos dados obtido pelo gráfico do datasheet.

Logo após, utilizamos o mesmo software para fazer uma aproximação numérica da função que estávamos procurando. Percebemos, então, que não conseguiríamos chegar a uma única função que conseguisse ajustar de maneira adequada a todos os pontos coletados do gráfico do datasheet. Desse modo, dividimos a função em duas partes, a primeira parte é com relação a concentração de 0 até 199 ppm, já a segunda parte é com relação a concentração de 200 ppm até 1000 ppm. A partir de 1000 ppm, não podemos afirmar nada sobre o comportamento da função.

Gráfico 3 - Gráfico de (R/R0) em Ω vs concentração em ppm, referente a função 1.

Gráfico 4 - Gráfico de (R/R0) em Ω vs concentração em ppm, referente a função 2.

De acordo com os resultados chegados pelo software geogebra, conseguimos fazer a aproximação das funções:

 Função 1 : (R/R0) = 1,9*50^-(C/730) - Equação 1

 Função 2 : (R/R0)=0,8*2,72^-(C/670) - Equação 2

Após a determinação da função que relaciona a resistência com a concentração, o próximo passo foi determinar R0 resistência do sensor a 100 ppm de CO em ar limpo [15]. Então, em um espaço aberto, com o auxílio de um multímetro na função ohmímetro medimos a resistência elétrica do sensor e chegamos ao resultado de R0 = 38,0 Ω.

Em seguida, precisamos encontrar uma função que relaciona a resistência do sensor R com a diferença de potencial que este apresentava. Sendo assim, com um multímetro na função amperímetro medimos a corrente que passava pelo sensor e constatamos que mesmo com a variação da tensão, a corrente se mantinha constante no valor de 0,06A. Desse modo, podemos relacionar o valor de tensão e resistência pela lei de Ohm, a qual diz que V = R*i. Por consequência disso, chegamos na seguinte equação: 

R = 16,67*V - Equação 3

E por fim, foi preciso encontrar uma relação entre o número que o sensor lia e o valor da sua tensão naquele instante. Para desenvolver uma função que abrangesse esses dois dados, o sensor foi ligado ao arduino e fizemos um código simples com a única intenção de retornar o valor que estava sendo lido pelo sensor. Desse modo, ao mesmo tempo que o sensor retornava um valor no monitor serial, foram coletados dados de tensão por meio de um multímetro, na função voltímetro, nos terminais do sensor dando origem a seguinte tabela.



Valor lido pelo sensor

Tensão (V)

148

2,38

138

2,40

117

2,56

126

2,50

161

2,34

463

0,90

400

1,56

250

2,00

163

2,41

Tabela 1 - Relação entre valor lido pelo sensor e tensão.

Por meio disso, utilizamos o software Geogebra para fazer a análise dos dados presentes na tabela - 1, para que fosse possível descobrir uma função entre as duas grandezas. Desse modo chegamos no seguinte resultado:

Gráfico 5 - Gráfico da tensão (V) em função do valor lido pelo sensor.

Consequentemente, chegamos na seguinte função:

V = -0,0040 * valor_sensor + 3  -  Equação 4

Finalmente, unindo as equações 1, 3 e 4 chegamos a seguinte equação geral:

Equação Geral 1:

 C = -730*(log10(16,67*( -0,0040 * valor_sensor+3) / (38*1,9)) / log10(50)) -  Equação 5

Na qual o valor de concentração em ppm varia entre 0 a 199 ppm.

Ademais, unindo as equações 2, 3 e 4 chegamos a seguinte equação geral:

Equação Geral 2: 

C = -670*log( 16,67*( -0,0040 * valor_sensor+3) / (38*0.8)) -  Equação 6

Na qual o valor de concentração em ppm varia entre 200 a 1000 ppm.

A partir das equações gerais encontradas, a análise de dados foi realizada com relação à concentração de monóxido de carbono no ar. Os danos da exposição a CO dependem diretamente do tempo de exposição ao gás e da concentração desse gás. Considerando um tempo médio de exposição de 2 horas, concentrações em torno de 100 ppm são perceptíveis, mas não causa nenhum efeito drástico. Concentrações perto de 250 ppm causam dores de cabeça, fadiga e tontura. Por fim, concentrações superiores a 1000 ppm levam a pessoa à morte [8][20]. 

Tabela 2 - Consequências à saúde humana pela inalação de monóxido de carbono em função do tempo.

Sendo assim, por meio do sensor MQ-07 foi possível monitorar as concentrações e fazer com que o arduino ligasse o exaustor quando a concentração de monóxido de carbono ultrapassasse 100 ppm. Em decorrência desse monitoramento, os LEDs verde, amarelo e vermelho foram acesos para as concentrações que estivessem entre as respectivas faixas de 0 - 99 ppm, 100 - 399 ppm e 400 - 1000 ppm respectivamente, indicando o perigo de cada uma. Sempre que o sensor de CO indicou alguma das duas últimas faixas (amarela ou vermelha), o buzzer ficou ligado por um tempo para indicar sonoramente que a concentração de CO está elevada. Por fim, o visor LCD indicou a concentração em ppm e fez alardes que indicavam o status de intoxicação do ambiente.

Previamente, para a prototipagem do projeto foi feita utilizando a plataforma online Tinkercad, com o auxílio dessa ferramenta foi possível fazer uma montagem virtual do projeto. Sendo assim, e esboço do circuito do projeto está representado a seguir: 

Fig. 3 - Protótipo do circuito elétrico do projeto.

Após a construção do protótipo online, foi começado a construção física do projeto. Para a real construção do projeto utilizamos o módulo I2C para LCD juntamente com o display LCD, o qual simplificou as ligações deste com o arduíno. O que tirou a necessidade da utilização de um potenciômetro que anteriormente ajustava o brilho do display, além de reduzir o número de conexões do LCD de 10 para 4. Além disso, esta foi a ligação do módulo à placa Arduíno: A saída SCL foi ligada à porta analógica A5, SDA ligada à A4, VCC à 5V e GND ligado à alguma saída GND do próprio Arduíno. Quanto ao sensor, sua saída analógica foi ligada a A0, VCC ligada a porta D3 usando PWM e GND em algum GND do Arduino. Os LEDs verde, amarelo e vermelho foram ligados às saídas D8, D9, D10, respectivamente. O buzzer foi ligado à saída D7 e por fim o motor foi ligado à porta D13 pela base do transistor. Todas essas conexões podem ser visualizadas nas figuras a seguir:

Fig. 4 - Conexões dos componentes eletrônicos com o arduino.


Fig. 5 - Construção Física do Projeto

Para a programação do arduíno, utilizamos o código a seguir:

#include <Wire.h> //Biblioteca para comunicação com o módulo I2C
#include <LiquidCrystal_I2C.h> //Biblioteca para o LCD com o módulo I2C
#include <math.h> //Bibliotexa para usar a função log

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,2,1,0,4,5,6,7,3, POSITIVE); //Definindo as funções do LCD

const int sensor = A0; //Pino analogico A0 para ler os valores do sensor
int valor_sensor = 0; //Valor coletado do sensor


void setup()
{
  Serial.begin(9600); //Estabelece comunicação com a porta serial
  lcd.begin (16,2); //Inicia o LCD 16x2
  lcd.setBacklight(HIGH); //Habilita a luz de fundo do LCD
  pinMode(10, OUTPUT);//led vermelho
  pinMode(9, OUTPUT);//led amarelo
  pinMode(8, OUTPUT);//led verde
  pinMode(7, OUTPUT);//buzzer
  pinMode(13,OUTPUT);//motor
  pinMode(sensor,INPUT);//A0
  pinMode(3,OUTPUT);//sensor-pwm
}


/*
 A função a seguir faz o calculo_concentracao da concentração em ppm de monóxido de carbono. O parâmetro x usado nessa função recebe o valor coletado pelo
 sensor (valor_sensor) e retorna o valor em ppm. Dentro dessa função, existem duas possibilidades de se realizar o calculo_concentracao, a depender do valor
 da resistência no sensor. Isso se dá por conta que a função que descreve esse comportamento, foi descrita em 2 partes. O datasheet do sensor
 mostra esse comportamento.
 */

float calculo_concentracao (int z)
{
  float resistencia = -0.06668*z+50.01; //Cálculo da resistência interna do sensor quando ligado e imerso em determinada concentração de CO
  float razao = resistencia/38.0; //Razão entre a resistência interna e a resistência do sensor quando desligado a 100 ppm
  float ppm = 0; //Definição do valor ppm

  if (razao > 0.6)
  {
    ppm = -730*(log10(razao/1.9)/log10(50));
  }
  if (razao < 0.6)
  {
    ppm = -670*log(razao/0.8);
  }
  return ppm;
}

float calculo_razao (int y) //Função que alcula o valor da razão entre as resistências (razao), presente na função anterior.
{
  float resistencia = -0.06668*y+50.01;
  float razao = resistencia/38.0;
  return razao;
}


void loop()
{
analogWrite(3,255); //fornece tensão de 5V para o sensor por meio da saída digital com pwm
  
  for (int x = 0; x < 60; x ++) //Durante 60 segundos, serão coletados valores do sensor. 1 coleta a cada 3 segundos
  {
  delay(1000);
  valor_sensor = analogRead(sensor); //Lê o valor dos sensor e armazena na variável valor_sensor
  Serial.print("Aquecimento, Valor"); //Indica que está em 5V
  Serial.println(valor_sensor); //Mostra o valor coletado no monitor
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0);
  lcd.print ("Aquecimento");
  }

analogWrite(3,72); //Fornece tensão de 1.4V para o sensor por meio da saída digital com pwm

  for (int x=0; x < 90; x++) //Durante 90 segundos, serão coletados valores do sensor. 1 coleta a cada 3 segundos
  {
  delay(1000);
  valor_sensor = analogRead(sensor); //Lê o valor dos sensor e armazena na variável valor_sensor 
  Serial.print("Coleta, Valor: "); //Indica que está em 1.4V
  Serial.println(valor_sensor); //Mostra o valor coletado no monitor
  Serial.print("Razão: ");
  float razao = calculo_razao(valor_sensor);
  Serial.println(razao);
  int concentracao = calculo_concentracao(valor_sensor);
  Serial.print("Concentração: ");
  Serial.println(concentracao);
  
  if (concentracao >= 0 && concentracao < 100)
  {
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0); //deixa o cursor na primeira linha e primeira coluna do lcd
    lcd.print ("[CO]: ");
    lcd.setCursor(5,0);
    lcd.print (concentracao);
    digitalWrite(8, HIGH); //Liga o led verde
    digitalWrite(9, LOW); //Desliga o led amarelo
    digitalWrite(10, LOW); //Desliga o led vermelho
    digitalWrite(13, LOW); //Desliga o motor
    digitalWrite(7, LOW); //Desliga o buzzer
    lcd.setCursor(0,1); //Deixa o cursor na segunda linha e primeira coluna do lcd
    lcd.print ("Status: Normal");
  }
  
else if (concentracao >= 100 && concentracao < 300) {
    lcd.clear();
    lcd.setCursor(0,0); //deixa o cursor na primeira linha e primeira coluna do lcd
    lcd.print ("[CO]: ");
    lcd.print (concentracao);
    digitalWrite(9, HIGH); //Liga o led amarelo
    digitalWrite(8, LOW); //Desliga o led verde
    digitalWrite(13, HIGH); //Liga o motor
    digitalWrite(7, HIGH); //Liga o buzzer
    digitalWrite(10, LOW); //Desliga o led vermelho
    lcd.setCursor(0,1); //Deixa o cursor na segunda linha e primeira coluna do lcd
    lcd.print ("Status: Atencao");
}
  
else{
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0); //deixa o cursor na primeira linha e primeira coluna do lcd
  lcd.print ("[CO]: ");
  lcd.print (concentracao);
  digitalWrite(10, HIGH); //Liga o led vermelho
  digitalWrite(9, LOW); //Desliga o led amarelo
  digitalWrite(8, LOW); //Desliga o led verde
  digitalWrite(7, HIGH); //Liga o buzzer
  digitalWrite(13, HIGH); //Liga o mortor
  lcd.setCursor(0,1); //deixa o cursor na segunda linha e primeira coluna do lcd
  lcd.print ("Status: Critico");
}
  }

}

Após o circuito e o código de programação do Arduíno estarem prontos, com a finalidade de fazer uma análise melhor dos dados estudados, foi construída uma maquete de um ambiente fechado para a melhor simulação do projeto. A maquete se resume em uma caixa de papelão na qual foi acoplado um exaustor no centro do seu teto. Dentro da caixa estará presente apenas o sensor MQ-07 e um tipo de emissor de monóxido de carbono, para a simulação do projeto foram utilizados uma vela acesa, um papel queimado e uma pequena quantidade de álcool que ao reagir com o oxigênio do ar produz monóxido de carbono, e do lado de fora da caixa estavam localizados todos os outros materiais do projeto.

Fig. 6 - Montagem do protótipo para coleta de dados.

Com o intuito de realizar diferentes análises do circuito, localizamos o sensor em duas partes distintas da caixa. Primeiramente, fixamos o sensor em uma lateral da caixa, fazendo com que o sensor ficasse um pouco mais longe do agente emissor de monóxido de carbono. Posteriormente, localizamos o sensor próximo ao exaustor fazendo com que esse ficasse perto do emissor de CO e com isso captasse maior concentração do gás.

Fig. 7 - Possíveis posições do sensor na caixa.

Desse modo, o experimento ocorreu em duas principais partes, primeiramente com o sensor localizado na lateral da caixa, foi colocado uma vela acesa dentro da caixa fechada e observamos o comportamento do sistema para esse emissor, logo após, colocamos fogo em um papel e o apagamos, para que esse gerasse monóxido de carbono, então colocamos o papel queimado dentro de um pote de vidro grande sem tampa e vimos como esse tipo de emissor reagia com o circuito. Posteriormente, colocamos um pires com pequena quantidade de álcool sobre um pote de vidro e então estudamos como esse composto se comportava com o sistema. Ao final desse processo, repetimos todo esse processo, porém com o sensor localizado próximo ao exaustor. 

Fig. 8 - Diferentes materiais para testar o funcionamento do circuito.

5 - Resultados:

Com a realização do atual projeto, esperamos conseguir desenvolver um sistema de segurança automatizado que consiga monitorar, fazer alertas e quando necessário reduzir a concentração de monóxido de carbono para ambientes fechados em geral, principalmente em estacionamentos. Visando assim, a saúde e o bem-estar das pessoas que utilizam o ambiente.

Como já mostrado anteriormente, foram utilizados três materiais diferentes com o sensor posicionado em duas regiões diferentes da caixa. A seguir, será mostrada a relação entre a concentração de monóxido de carbono, o tempo de exposição do sensor a essa concentração e o comportamento do circuito (exaustor ligado ou desligado). Para o caso com a vela e o sensor na lateral da caixa, o circuito permaneceu na faixa normal de concentração, sem que o exaustor fosse ligado. O gráfico a seguir ilustra esse fato:

Gráfico 6 - Concentração em função do tempo para a vela com o sensor na lateral

Para a fumaça com o sensor na lateral, houve o mesmo comportamento anterior. O circuito permaneceu na faixa normal de concentração e o exaustor não foi ligado. Esse comportamento é representado a seguir:

Gráfico 7 - Concentração em função do tempo para o pote de fumaça com o sensor na lateral


 Para o caso do álcool com o sensor na lateral, o resultado foi diferente dos casos anteriores. Em alguns momentos, a concentração passou de 100 ppm e o exaustor foi acionado. Com o acionamento do exaustor, a concentração diminuiu aos poucos até que o exaustor desligasse. Dessa forma, o circuito permaneceu num ciclo onde a concentração se estabilizou. A imagem a seguir mostra o comportamento do circuito. A linha vermelha indica o momento em que a concentração passa do estado normal ao estado de atenção, além de representar o momento em que o exaustor foi ligado.

Gráfico 8 - Concentração em função do tempo para o álcool com o sensor na lateral.

Para os casos em que o sensor mudou para o topo da caixa, os resultados foram parecidos. A única diferença foi que para essa configuração houve diferença dos resultados para a fumaça. Nesse caso, a concentração passou para o nível crítico. Os gráficos para a vela, a fumaça e o álcool nessa nova configuração estão a seguir, novamente, a linha vermelha indica o momento em que o exaustor é acionado:

Gráfico 9 - Concentração em função do tempo para a vela com o sensor no topo.

Gráfico 10 - Concentração em função do tempo para o pote de fumaça com o sensor no topo.

Gráfico 11 - Concentração em função do tempo para o álcool com o sensor no topo.


 Além do mais, não foi possível atingir o nível crítico de concentração, em que o valor ultrapassasse 300 ppm. O maior valor captado pelo sensor foi uma concentração de 143 ppm, quando foi posto dentro de uma garrafa com álcool. Entretanto, para os outros casos fica claro o funcionamento do circuito: quando a concentração passa de um determinado valor (100 ppm), o exaustor é ligado fazendo com que essa concentração não aumente mais.


6- Custos:

Item

Quantidade 

Custo unitário

Custo total

Protoboard

1

12,00

12,00

Arduíno uno

1

60,00

60,00

Sensor MQ - 07

1

18,00

18,00

Led

3

0,30

0,90

Resistor de 330Ω

3

0,15

0,45

Buzzer

1

3,00

3,00

LCD

1

21,00

21,00

Motor CC

1

6,90

6,90

Jumper

40

0,25

10,00

Módulo I2C

1

9,40

9,40

Transistor NPN - BD135

1

1,50

1,50

Diodo 1N4007

1

0,25

0,25

TOTAL

R$ 143,40


Tabela 3 - Custos Gerais.

7- Cronograma: 



Maio

Junho

Dia

Dia

13/05 - 20/05 

21/05 - 27/05

28/05 - 03/06

04/06 - 10/06

11/06-17/06

Objetivo 1

x





Objetivo 2

x

x




Objetivo 3


x

x



Objetivo 4



x

x


Objetivo 5



x

x

x

Objetivo 6





x

Tabela 4 - Cronograma.

Objetivo 1 - Escrever o pré-projeto.

Objetivo 2 - Comprar materiais para construção do projeto.

Objetivo 3 - Construir um protótipo virtual do circuito pelo Tinkercad.

Objetivo 4 - Construir o montar o circuito físico e fazer as programações necessárias no arduino.

Objetivo 5 - Escrever o relatório final do projeto.

Objetivo 6 - Fazer a apresentação do projeto.


8- Conclusão: 


O primeiro ponto a se notar na construção desse projeto foi a dificuldade inerente de sua construção. Primeiramente, acreditava-se que eram necessários apenas componentes simples como resistores, LEDs, buzzer, o sensor e um LCD. Com o passar do tempo, foi necessário incorporar novos componentes que não foram imaginados primeiramente, como o motor CC, o transistor e o diodo. Além disso, ainda foi necessário o uso de técnicas que antes não eram conhecidas, por exemplo o uso do PWM.

Em segundo lugar, vale notar as adversidades no momento de encontrar alguma função que descrevesse o comportamento do sensor em diversas concentrações. O datasheet do sensor [15] não é claro quanto a relação do valor lido pelo sensor e a concentração em ppm. No máximo, pode ser encontrada uma curva que relacione a razão entre a resistência do sensor e a resistência de referência em função da concentração. Além do mais, no datasheet não há nenhuma função que descreva o comportamento dessa curva. Portanto, pelo fato de termos que descobrir a relação entre a concentração e o valor lido pelo sensor, muitos erros sistemáticos estão envolvidos no processo. A relação encontrada está longe de ser necessariamente precisa, porque para isso seria necessário o uso de um medidor de monóxido de carbono. Desse modo, não conseguimos atingir os limites ideais da OMS e da OSHA.

Quanto ao sensor, percebe-se que este capta muitos ruídos externos. O exemplo mais claro disso seria um simples sopro nele. Quando soprado, o sensor reage significativamente, indicando diminuição da concentração de CO. Além disso, para que ele consiga detectar uma variação de concentração razoável é necessário que esteja em contato direto com a fonte. Isso pode ser observado para o caso com a fumaça. Quando o sensor estava na lateral, a concentração não ultrapassou 100 ppm, entretanto, com o sensor no topo (local onde a fumaça é constante) o circuito detectou aumento na concentração.

Por fim, é possível ver que o circuito como um todo reagiu da maneira que era esperada. Quando a concentração de CO ultrapassou 100 ppm para os casos da fumaça e do álcool, o exaustor foi ligado e conseguiu diminuir essa concentração. Além disso, os avisos sonoros, luminosos e a mensagem no LCD funcionaram corretamente.


9- Link para o vídeo do projeto:


https://youtu.be/mg48PXyeFik


10- Bibliografia: 


[1] DIOGENES, Mariana Guerra. Gentrificação e Moradia: um estudo sobre a elitização de espaços urbanos e o exemplo do Grande Pirambu em Fortaleza.  Disponível em: 

http://anpur.org.br/xviiienanpur/anaisadmin/capapdf.php?reqid=1233


[2] Estacionamento subterrâneo: o que eu preciso saber? Disponível em:

https://autopark.com.br/estacionamento-subterraneo/ 


[3] Emissão Veicular. Disponível em: 

https://cetesb.sp.gov.br/veicular/#:~:text=Essa%20emiss%C3%A3o%20%C3%A9%20composta%20de,do%20sangue%20de%20transportar%20oxig%C3%AAnio.


[4] Quais são os efeitos do Monóxido de Carbono sobre a saúde do Homem? Disponível em:

http://www.sinditestrs.org.br/noticias/noticia.php?id=378#:~:text=A%20exposi%C3%A7%C3%A3o%20a%20valores%20de,outros%20similares%20aos%20da%20gripe.


[5] Carbon monoxide. GESTIS-Stoffdatenbank. Disponível em:

https://gestis.dguv.de/data?name=001110&lang=en


[6] Objetivos de Desenvolvimento Sustentável. Nações Unidas - Brasil. Disponível em:

https://brasil.un.org/pt-br/sdgs


[7] Sensor de gás Monóxido de Carbono MQ-7. Eletrogate. Disponível em: 

https://www.eletrogate.com/sensor-de-gas-monoxido-de-carbono-mq-7


[8] Carbon Monoxide and Health Effects. Disponível em:

https://www.engineeringtoolbox.com/carbon-monoxide-d_893.html


Referências que ainda serão usadas:


[9] BORDIGNON, Bruno; SILVA, Gabriel Roberto Thomaz da; SANTOS, Lucas Haruo dos. PROTÓTIPO DE SUPERVISÃO E CONTROLE DE MONÓXIDO DE CARBONO EM AMBIENTES FECHADOS. UTFPR. Curitiba: 2020. Disponível em:

https://nupet.daelt.ct.utfpr.edu.br/tcc/engenharia/doc-equipe/2017_2_18/2017_2_18_final.pdf


[10] How to make carbon monoxide sensor using arduino. Ideal Robotics. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=4b0_SZQkz50


[11] LOHS, Ingo. Carbon Monoxide Gas Sensor MQ-7. Disponível em:

https://create.arduino.cc/projecthub/ingo-lohs/carbon-monoxide-gas-sensor-mq-7-f7f327


[12] HOW TO MAKE A CARBON MONOXIDE DETECOR WITH AN MQ7 SENSOR. Disponível em: https://www.circuito.io/blog/carbon-monoxide-detector/


[13] Detecção de gás CO com Arduino e sensor MQ-7. EduArduino. Disponível em:

https://www.youtube.com/watch?v=MxLLnEttiAc&ab_channel=EduArduino


[14] Simulação no Arduino - Sensor de Gás e LEDs. Gustavo Castro. Disponível em:

https://www.youtube.com/watch?v=ginWN5jn75Q&t=338s


[15] Technical Data MQ-7 Gas Sensor. Hawei Eletronics. Disponível em:

https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf


[16] Os Perigos de Intoxicação por Monóxido de Carbono. Jornal Nordeste. Disponível em: https://www.jornalnordeste.com/olho-clinico/os-perigos-de-intoxicacao-por-monoxido-de-carbono


[17] How to detect carbon monoxide with a MQ-7 sensor module. AReResearch. Disponível em: http://www.areresearch.net/2017/03/detect-co-with-mq-7-sensor-module.html


[18] Motor de CC com transistor. Disponível em: https://docs.google.com/document/d/1hQ9a31bYXC-Yh838ci4UTHG6HmH40gm0KPBSi5f3vtE/edit


[19] MOREIRA, Daniel. ARDUINO - ENTRADAS E SAÍDAS ANALÓGICAS - PWM. Disponível em: https://portal.vidadesilicio.com.br/entradas-e-saidas-analogicas/



[20] REIS, Jorge. Substâncias Químicas - Monóxido de Carbono. Disponível em: http://www.capecanaveral4045.com/monoxcarbon.html


[21]BARBOSA, Mafalda Martins. Tratamento das Intoxicações pelo Monóxido de Carbono. Faculdade de Medicina - Universidade do Porto. 2015. Disponível em: https://repositorio-aberto.up.pt/bitstream/10216/78911/2/34988.pdf


[22] Carbon Monoxide Levels Chart. Disponível em: https://gaslab.com/blogs/articles/carbon-monoxide-levels-chart


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