Controlando servo motores com Scratch

Esta não é uma aula propriamente dita. Logo à partida porque não tenho servos suficientes para usar numa turma de 20 alunos. Como pretendo, no entanto, começar a trabalhar em projeto, é natural que o controlo de servos surja inevitavelmente. Por essa razão, justifica-se a exploração deste componente.

O servo motor é um tipo de motor que não roda em círculo, mas que se move para determinadas posições e aí permanece até nova ordem, mesmo que esteja a sujeito a uma força com direção contrária. A capacidade do servo motor manter a sua posição em função da força externa aplicada, é medida através do torque.

Há servo motores que têm um grau de liberdade de 360º, outros têm de 180º e há ainda os que giram apenas com um ângulo máximo de 90º. Os de 180º são os mais vulgares e será com um desses que farei as minhas experiências (na verdade, o meu motor chega perto dos 180º sem fazer exatamente este ângulo).

Os fios de conexão dos servo motores são três e a sua identificação depende dos fabricantes. O mais vulgar é ter um fio vermelho que se liga à alimentação +5V, um preto que se liga ao GND (0V) e um terceiro amarelo ou branco que ligará ao pino de controlo.

E como se controla um servo motor? Através de um sinal no formato PWM (Pulse Width Modulation). Este sinal é formado por uma série de impulsos 0 V ou 5 V com um determinado padrão temporal. Uma alteração do sinal na largura deste sinal, será responsável por alterar a posição do eixo.

Em Scratch temos a vida facilitada porque o controlo do motor pode ser feita através das saídas 4, 7 e 8 que estão preparadas para controlar este tipo de dispositivos.

Para isso, temos disponíveis os seguintes comandos:

O primeiro comando é claro; o segundo faz girar o motor para a posição especificada pelo ângulo  (e não o faz girar de acordo com o ângulo indicado, são coisas diferentes); o terceiro suponho que só faça sentido se estivermos a trabalhar com servo motores que girem segundo 360º - no meu caso, que trabalhei com um motor de 180º, este comando não alterava em nada o seu funcionamento.

A apresentação que se segue foi mais um exercício pessoal. O último exercício proposto seria demasiado complexo para apresentar aos alunos com que trabalho. Partilho também que por vezes, de forma aleatória e sem que eu perceba qual a origem, o programa pára nos 90º ou o LED mantém-se a piscar de forma irregular depois da função terminada. Nestas situações, tenho de reiniciar o programa (clicando na bandeirinha) para que tudo volte ao normal.

Deixo então a minha proposta de trabalho para controlo de servo motores recorrendo ao Scratch...

...o circuito esquemático do último exercício proposto...

...e um pequeno vídeo com o "circuito de controlo de um cancela" em funcionamento:

Eletrónica básica - o código de cores das resistências

Os alunos com quem estou a desenvolver o presente projeto não sabem nada de eletrónica. Foi preciso apresentar-lhes o LED e referi, quando o ligaram, que seria necessário associar uma resistência ao circuito, caso contrário o LED seria "queimado" por excesso de corrente elétrica.

Na primeira sessão, usei a analogia com um sistema hídrico - a diferença de potencial pode ser comparada com uma diferença de altura de uma cascata, a corrente de água representa a corrente elétrica; para a resistência elétrica a analogia pode ser um estrangulamento no canal por onde a água passa, controlando o caudal.

Como os alunos só têm disponíveis as resistências que vão usar numa determinada sessão, para já basta dizer "esta resistência é para os LED, aquela para o interruptor", mas à medida que os trabalhos forem evoluindo, é natural que comecem a perguntar como identificar cada uma delas.

A unidade da resistência elétrica é o ohm (Ω). Nas resistências de potência (que estão preparadas para correntes elétricas de maior intensidade) temos muitas vezes o trabalho simplificado e esse valor aparece impresso no componente:

Mas em eletrónica, o vulgar é as resistências estarem identificadas através de riscas codificadas por cores. A razão para isto é que nos anos 20 era muito complicado imprimir valores em componentes tão pequenos - o código foi definido e acabou por ficar:

Na verdade, o código de cores é bastante fácil de usar e, com a prática, é praticamente imediata a conversão para o valor óhmico (pelo menos para as cores mais recorrentes). Importante é começar por identificar a risca da tolerância da resistência, o que é imediato caso esta seja prateada ou dourada (caso contrário, devemos procurar a risca mais afastada das restantes). Essa risca deve ser colocada à direita. O valor óhmico da resistência será dado, da esquerda para a direita, pelas cores das restantes riscas.

Caso se trate de um resistência de 4 riscas, as duas primeiras representarão os dois primeiros algarismos do valor da resistência, a terceira o fator multiplicativo e a terceira a tolerância especificada pelo fabricante que garante um intervalo de valores entre os quais o valor da resistência se situa. Caso a resistência seja de precisão e tenha 5 riscas, os primeiros algarismos do valor da resistência passam a ser definidos por três  riscas e só depois virão as riscas do fator multiplicativo e da tolerância. Haverá ainda resistências que apresentam uma risca para o coeficiente da temperatura, mas pessoalmente, na minha prática, nunca de deparei com nenhuma.

Há aplicações disponíveis para converter o código de cores no valor da resistência e respetiva tolerância. Um deles está disponível no site Eletrónica.

Aula 3 - Entradas e saídas digitais

Iniciei a aula pedindo aos alunos que alimentassem a breadboard. Ainda não é uma tarefa que todos cumpram sem dificuldade.

O teste da entrada digital foi feito com um interruptor de pressão. Depois do circuito (projetado na tela da sala) montado, os alunos verificaram a mudança de estado da entrada digital para "verdade" e "falso".

De seguida, pedi que voltassem a montar três LED às saídas 13, 12 e 11. É ainda necessário a projeção do circuito, os alunos não o fazem ainda de forma autónoma.

A seguir...a experimentação em Scracth! E pronto. Nesta fase, já tenho um bom grupo a testar várias programações possíveis, o que é sempre gratificante.

Passo seguinte: e se eu quiser usar o interruptor de pressão como de facto é usado no dia-a-dia? Se eu não quiser estar sempre a pressioná-lo e se em vez disso por cada vez que pressiono (e largo) quiser que o sistema entenda essa ação como uma instrução? Aqui, foi necessário apelar ao conceito de variável. Curiosamente, e aqui todos os créditos para a professora de Informática, a programação com a variável não se revelou particularmente difícil. No final dos 90 minutos, três quartos dos grupos tinham atingido os objetivos da sessão.

Deixo de seguida a apresentação que explorei nesta sessão...

...o circuito esquemático do último exercício proposto...

...e um pequeno vídeo com o "circuito da árvore de Natal" em funcionamento:

Como reflexão final, não posso deixar de referir que nesta fase dos trabalho é já evidente a motivação e a aptidão de determinados alunos para este tipo de trabalho (arrisco avançar com uma estimativa de 25% do grupo) e o evidente desinteresse de outros (volto a fazer uma estimativa de 25%). Os restantes alunos cumprem as instruções e procuram com a ajuda das professoras e colegas superar as dificuldades. Que me parecem estas estimativas? Há que não esquecer que o projeto foi implementado numa turma do vocacional seguindo o método de "voluntários à força". Pessoalmente, parece-me que foi importante que todos os alunos tivessem tido a oportunidade de contactar com este tipo de trabalho - alguns dos mais aptos nunca tinham trabalhado com eletrónica e não teriam tomado a iniciativa de frequentar um clube fora do seu horário escolar. Por outro lado, acho que começa a estar na altura de procurar para os alunos desinteressados outra ocupação mais do seu agrado. Não me parece que os alunos tenham muito a ganhar em avançar contrariados para circuitos mais exigentes.

Mais uma vez concluo que a democratização do sucesso só é possível (e em particular em turmas de currículos alternativos como é o caso da turma com quem estou a trabalhar) com a diversificação das ofertas educativas, o que permitiria que os alunos pudessem escolher o percurso que mais se adequasse  ao seu perfil. Será utopia, mas continuo a sonhar com uma escola que fosse vivida por cada um como um prazer e como forma de preparação para a vida e não uma obrigação legal.

Aula 2 - Explorando as saídas digitais

Nesta aula tive de começar por explicar o que são, em eletrónica, entradas e saídas. Usando como exemplo o corpo humano, tentei que os alunos identificassem como entradas os órgãos dos sentido, como saídas os músculos que nos fazem mover e como processador o cérebro. Ainda tentei avançar para a definição de digital e analógico mas percebi que começava a ser informação a mais para esta primeira abordagem.

Dito isto, identifiquei as entradas e saídas disponíveis quando se usa o S4A.

Pedi que começassem a alimentar a breadboard e que ligassem um LED da forma que tínhamos feito na sessão anterior, mas agora com o ânodo diretamente ligado à saída digital 13.

Tenho a clara sensação que só quando começaram, com o S4A, a controlar o LED é que as instruções anteriores ganharam sentido para a maioria dos alunos. O salto para dois e depois para três LED foi feito sem dificuldades e os alunos começaram de forma lúdica e autónoma a testar várias opções em termos de programação em Scratch.

O exercício proposto para a elaboração do semáforo foi atingido por todos os grupos, uns com mais ajuda que outros. O segundo exercício proposto, que exigia a função "anuncia" não foi possível cumprir nos 90 minutos que a sessão durou.

Deixo de seguida a apresentação que explorei nesta sessão...

...o circuito esquemático do último exercício proposto...

...e um pequeno vídeo com o circuito do semáforo em funcionamento:

A primeira sessão

Como já foi dito, este projeto começou por ser implementado numa turma vocacional do 8º ano em parceria com a professora de Informática da turma. Quando cheguei à sala de aula, já os alunos tinham tido várias aulas de Scratch e a mim coube-me iniciá-los na eletrónica. Nesta primeira sessão, foi necessário explicar rapidamente em que consiste a corrente elétrica e a necessidade da diferença de potencial. Introduzi também o LED, indicando-lhes como reconhecer o ânodo e o cátodo e a importância de o ligar convenientemente polarizado.

Neste sessão foi também essencial a apresentação da breadboard e as respetivas conexões.

Uma vez que o tempo de atenção dos alunos com que trabalho é limitado, houve que rapidamente passar para a prática, com a alimentação da breadboard a partir do arduino e a ligação de um LED, seguida da ligação de um circuito série LED - interruptor de pressão.

Como é evidente, nesta aula o arduino foi usado como fonte de alimentação e não foi programado. O facto dos alunos aprenderem a alimentar a breadboard a partir do arduíno e fazer a ligação correta de um LED é, no entanto, fundamental para prosseguir com os projetos seguintes.

Um recurso inestimável para preparar estas sessões é o fritzing. Sem ele tornar-se-ia muito mais complicado explicar grupo a grupo, estando os alunos numa fase tão inicial da aprendizagem, as montagens a realizar.

Para além de permitir a imagem do circuito em breadboard, o fritzing permite também, a partir desse esquema, o desenho esquemático do circuito e a conceção do respetivo circuito impresso. Deixo aqui o esquema correspondente à série do LED com o interruptor usado na primeira sessão deste projeto:

E o arduino?

Bem...a minha experiência resume-se ao arduino Uno.

O arduino em si é bastante acessível, sendo possível adquirir placas por cerca de 20€ ou menos. A questão é que, para trabalhar com o arduino em sala de aula, é necessário ter disponível alguns consumíveis de eletrónica que se podem resumir a alguns LEDS, resistências e interruptores de pressão, caso se esteja a fazer um número limitados de sessões, mas que terão de evoluir para outros componentes como sensores e motores caso as sessões se prolonguem no tempo e queiramos evoluir para circuitos mais interessantes.

Para meu uso pessoal, adquiri um "Arduino Starter Kit", comercializado pela Inmotion, que me custou um pouco mais de 90€ (sem portes). Para além do arduino, este kit apresenta muitos componentes eletrónicos desde os mais básicos como LED e resistências a sensores, servomotores e até display de cristais líquidos. Para além disso, vem acompanhado com um livro, em inglês, com propostas de vários projetos que podem ser interessantes para usar em sala de aula. A programação proposta no livro está, naturalmente, em C.

Há outros kits, mais baratos, sem livro, com o fundamental para trabalhar em sala de aula e que, na Inmotion, rondam os 60€ (sem portes).

É importante ter em conta que o número de alunos por grupo não pode ser excessivo. No meu caso, estou a trabalhar com 20 alunos e tenho 10 arduinos, o que é ótimo, mas compreendo que só o consigo porque uma parceria com a ANPRI o permitiu. Em escolas sem esta oportunidade, a opção poderá passar por um projeto financiado. Em alternativa, dependendo do nível sócio-económico da maioria dos alunos, outra solução poderá serem os alunos a financiar os seus kits, ficando com eles no final do ano.

A comunicação entre o computador e o arduino pode ser feito pela interface disponibilizada no site Arduino.

Será através desta interface que colocaremos o programa em C disponibilizado pelo S4A referido no post anterior e a partir do qual faremos o upload para o arduino. Como na internet há inúmeros projetos com a programação em C já elaborada, caso os queiramos implementar, será também esta a interface utilizada.

S4A - Scratch for Arduino

Quando surgiu a ideia de levar o arduino para a sala de aula, tornou-se evidente que dado os conhecimentos dos alunos envolvidos - 8º ano - a opção teria de passar por uma linguagem de programação acessível e que não fosse fator de desmotivação.

A linguagem Scratch foi a solução mais óbvia, uma vez que os alunos já trabalhavam com ela na disciplina de Informática.

Na verdade, o Scratch foi desenvolvido pelo MIT para crianças e é com muita facilidade que alunos do ensino básico (muitas vezes logo no primeiro ciclo) se apropriam dos conceitos básicos e rapidamente evoluem programando histórias ou pequenos jogos. Para saber mais, o melhor é mesmo aceder à página do MIT.

O software S4A é uma adaptação do scratch para arduino, permitindo programá-lo usando os blocos caraterísticos do Scratch.

Para usar este software, há que descarregá-lo do site do S4A. 

Para além disso, é necessário descarregar um programa específico criado pelo S4A e programar com ele o arduino. Só depois é possível a comunicação entre o S4A e o arduino.

O ficheiro de comunicação referido, limita a opções de entradas / saídas do arduino, que ficam definidas de acordo com a imagem seguinte:

Suponho que seja possível alterar esta definição de entradas / saídas a partir do ficheiro disponibilizado pela S4A, mas ainda não me debrucei sobre o assunto. Ficará para quando tiver tempo para tal...