COOLER PELTIER MICROCONTROLADO

ENG. ELÉTRICA - PUCPR

EQUIPE:

André Rui Poletti de Oliveira - [email protected]

Ismael Augusto Leismann - [email protected]

Prof. Orientador: Altair Olivo Santin - [email protected]

INTRODUÇÃO

    Pastilhas termoelétricas operam utilizando o efeito Peltier, a teoria de que há um efeito aquecedor ou resfriador quando uma corrente elétrica passa por dois condutores. A tensão aplicada aos pólos de dois materiais distintos cria uma diferença de temperatura. Graças a essa diferença, o resfriamento Peltier fará o calor mover de um lado ao outro. Uma típica pastilha de Peltier contem uma série de elementos semicondutores do tipo-p e tipo-n, agrupados como pares (ver Figura 1), que agirão como condutores dissimilares.

Figura 1

    Essa série de elementos é soldada entre duas placas cerâmicas, eletricamente em série e termicamente em paralelo. Quando uma corrente DC passa por um ou mais pares de elementos de tipo-n a tipo-p, há uma redução na temperatura da junta ("lado frio") resultando em uma absorção do calor do ambiente. Este calor é transferido pela pastilha por transporte de elétrons e emitido no outro lado ("quente") via elétrons que movem de um estado alto para um estado baixo (ver Figura 2). A capacidade de bombeamento de calor de um resfriador é proporcional à corrente e o número de pares de elementos tipo-n e tipo-p.

Figura 2

OBJETIVO

    Nosso objetivo é resfriar uma caixa térmica utilizando uma célula de peltier e controlarmos sua temperatura utilizando um microcontrolador PIC16F87.

DESENVOLVIMENTO

Primeiramente foi pensando no melhor jeito de tornar a célula peltier mais eficiente. Assim foi testado de várias maneiras como seria seu melhor rendimento, e chegamos a uma conclusão que com 2 dissipadores e 2 coolers seriam as melhores maneiras de facilitar a convecção. Já que somente dois dissipadores e um só cooler do lado de fora para retirar o calor seria pouco eficiente como testamos. Já que precisamos forçar a convecção.

Assim chegando à conclusão da melhor maneira de fazer o conjunto da célula de peltier, confeccionamos uma placa de metal um pouco mais grossa para fixar na parte quente da célula e conseguir encostar no dissipador da parte quente, junto com o cooler. Assim ficaria uma boa altura, entre a parte quente e fria, para botar um material isolante a qual sem ele a eficiência fica comprometida.

Fixamos a parte de metal, com ajuda da pasta térmica para ter melhor transferência de temperatura, com a célula de peltier e colocamos um dissipador e um coooler também acoplados a placa de metal. Do outro lado da célula, na parte onde resfria, acoplamos somente um dissipador e o cooler, para facilitar a convecção. E isolamos a parte externa da interna ao máximo para ter máxima eficiência.

CÁLCULOS

Esses são os cálculos da célula de peltier. Sendo necessários para experimentos de maior grau de complexidade ou se queira se chegar a quase uma perfeição de eficiência. Mas para projetos mais simples, uma boa teoria sobre convecção e resfriamento já serve para chegar a um excelente resultado. 

• Carga Térmica Ativa

Essa é a equação geral para a dissipação de uma carga ativa:

, onde:

Q=carga térmica ativa em watts.

V= tensão aplicada ao sistema resfriado em volts.

R=resistência da aplicação em ohms.

I=corrente da aplicação em ampére.

• Cálculo do BTU(British Thermal Unit)

BTU (também pode ser escrito Btu) é um acrônimo para British Thermal Unit (ou Unidade térmica Britânica) é uma unidade de medida não-métrica (Não pertencente ao SI) utilizada principalmente nos Estados Unidos, mas também utilizada no Reino Unido. É uma unidade de energia que é equivalente a:

252,2 calorias.

1055 joules.

Entre 778 e 782 ft.lbf (pés-libra-força).

A quantidade de 1 Btu é definida como a quantidade de energia necessária para se elevar a temperatura de uma massa de uma libra de água em um grau fahrenheit. Para se derreter a mesma massa de gelo, é necessário 143 Btu.

1Watt é aproximadamente 3,41BTU/h. Então como calculado acima, temos 60Watts dissipados pela célula de peltier, se usada nessa configuração. 60 Watts x 3,41BTU/h = 204,6 BTU/h.

Em média 600BTU são suficiente para gelar uma área de 1m². Como a caixa térmica tem apenas 7litros. É suficiente essa célula para refrigerar a caixa.

DIAGRAMA DE BLOCOS

FOTOS DO PROJETO

Figura Frontal

Figura Lateral

Foto da Célula de Peltier com pasta térmica.

Foto interna

Figura do termômetro. Temperatura externa e interna.

CIRCUITO DO SENSOR / PIC

Circuito do sensor + PIC

Pinagem do display de sete segmentos

SENSOR

Foi usado um sensor de temperatura LM35(figura 3). Ele varia com a temperatura, alterando o valor da tensão aplicada a ele. A variação em média seria de 1°C a cada 10mV. Mas como vemos no gráfico, podemos ter uma pequena variação.

             Figura 3

DIFICULDADES

Nossa principal dificuldade foi isolar a célula peltier para conseguir maior eficiência. A isolação consiste em não deixar o lado quente da célula ter contato com o lado frio dela, assim necessitamos de um bom isolador entre as placas.

LISTA DE COMPONENTES

1 Célula Peltier 4x4cm / 15.4 V / 6A

1 Caixa térmica

2 Coolers 12 V DC

2 Dissipadores

Pasta térmica

Componentes para o sensor/PIC:

1 PIC16F87

2 x LM35

2 x MC14511BCP

2 x Capacitor 10uF

1 x Capacitor de 0,1uF

6 x BC548B

6 x Resistores 270ohms

6 x Resistores 1Kohms

1 x Resistor de 4,7Kohm

1 x Cristal  de 11.0592MHz

6 x Display de 7 segmentos

1 Trinpot 10k

CÓDIGO FONTE

#include <16F876A.h>

#device adc=10

#use delay(clock=11059200)

#use rs232(baud=19200, xmit=pin_C6)

#fuses HS, PUT, NOBROWNOUT, NOWDT, NOLVP

#define A1  pin_b4

#define B1  pin_b7

#define C1  pin_b6

#define D1  pin_b5

#define A2  pin_c3

#define B2  pin_c0

#define C2  pin_c1

#define D2  pin_c2

int dez_1[4], un_1[4], dec_1[4];

int dez_2[4], un_2[4], dec_2[4];

int aux, i, cont = 0;

long int temp1, temp2;

void converte_dez_1()

{

   aux = temp1 / 100;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      dez_1[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   dez_1[0] = aux % 2;

}

void converte_un_1()

{

   aux = (temp1 % 100)/10;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      un_1[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   un_1[0] = aux % 2;

}

void converte_dec_1()

{

   aux = (temp1 % 100)%10;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      dec_1[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   dec_1[0] = aux % 2;

}

void converte_dez_2()

{

   aux = temp2 / 100;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      dez_2[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   dez_2[0] = aux % 2;

}

void converte_un_2()

{

   aux = (temp2 % 100)/10;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      un_2[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   un_2[0] = aux % 2;

}

void converte_dec_2()

{

   aux = (temp2 % 100)%10;

   for (i = 3; i >= 1; i--)

   {

      dec_2[i] = aux % 2;

      aux = aux / 2;

   }

   dec_2[0] = aux % 2;

}

void escreve_dez_1()

{

   output_b(0x00);

   output_bit(D1, dez_1[0]);

   output_bit(C1, dez_1[1]);

   output_bit(B1, dez_1[2]);

   output_bit(A1, dez_1[3]);

   output_high(pin_b1);

}

void escreve_un_1()

{

   output_b(0x00);

   output_bit(D1, un_1[0]);

   output_bit(C1, un_1[1]);

   output_bit(B1, un_1[2]);

   output_bit(A1, un_1[3]);

   output_high(pin_b3);

}

void escreve_dec_1()

{

   output_b(0x00);

   output_bit(D1, dec_1[0]);

   output_bit(C1, dec_1[1]);

   output_bit(B1, dec_1[2]);

   output_bit(A1, dec_1[3]);

   output_high(pin_b2);

}

void escreve_dez_2()

{

   output_c(0x00);

   output_bit(D2, dez_2[0]);

   output_bit(C2, dez_2[1]);

   output_bit(B2, dez_2[2]);

   output_bit(A2, dez_2[3]);

   output_high(pin_c5);

}

void escreve_un_2()

{

   output_c(0x00);

   output_bit(D2, un_2[0]);

   output_bit(C2, un_2[1]);

   output_bit(B2, un_2[2]);

   output_bit(A2, un_2[3]);

   output_high(pin_c4);

}

void escreve_dec_2()

{

   output_c(0x00);

   output_bit(D2, dec_2[0]);

   output_bit(C2, dec_2[1]);

   output_bit(B2, dec_2[2]);

   output_bit(A2, dec_2[3]);

   output_high(pin_c7);

}

#int_rtcc

void trata_rtcc()

{

   set_rtcc(251 - get_rtcc());

   if (cont == 0)

      escreve_dez_1();

   if (cont == 1)

      escreve_dez_2();

   if (cont == 2)

      escreve_un_1();

   if (cont == 3)

      escreve_un_2();

   if (cont == 4)

      escreve_dec_1();

   if (cont == 5)

      escreve_dec_2();

   if (cont == 5)

      cont = 0;

   else

      cont++;

}

void main()

{

   setup_ADC_ports(RA0_RA1_ANALOG_RA3_REF);

   setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

   setup_timer_0(RTCC_INTERNAL | RTCC_DIV_256);

   set_rtcc(251);

   enable_interrupts(global | int_rtcc);

   while(1)

   {

      set_adc_channel(0);

      temp1 = (read_adc() * 2.5);

      converte_dez_1();

      converte_un_1();

      converte_dec_1();

      set_adc_channel(1);

      temp2 = (read_adc() * 2.5);

      converte_dez_2();

      converte_un_2();

      converte_dec_2();

      delay_ms(500);

      delay_ms(500);

   }

}

DATASHEETS

CÉLULA PELTIER

http://www.efeitopeltier.com.br/files/dv-40-06.pdf

LM35

http://www.national.com/ds.cgi/LM/LM35.pdf

PIC16F87

http://www.datasheet4u.com/download.php?id=542284

MC14511BCP

http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/M/C/1/4/MC14511BCP.shtml

BC548B

http://www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/B/C/5/4/BC548B.shtml

SITES RELACIONADOS

http://www.efeitopeltier.com.br/

http://www.grynx.com/projects/peltier-beer-cooler/

AGRADECIMENTOS

Agradecemos o apoio, incentivo e sugestões para melhoria do projeto ao Professor Altair Olivo Santin, Professor Ivan Jorge Chueiri, aos nossos colegas Carlos Eduardo Fusinatto Magnani e Leonardo Contini. Aos demais, que ajudaram direta ou indiretamente, muito obrigado pelo apoio e incentivo.