Laboratório de física para todos - vamos fazer um digitímetro!

Um digitímetro consta de uma célula fotoelétrica ligada a um marcador de tempo. É usado geralmente para medir o tempo de passagem de um objeto para, a partir desse tempo e das dimensões do objeto, os alunos fazerem o cálculo da velocidade com que o objeto passou num determinado ponto. Sendo um aparelho recomendado em várias experiências de Física do ensino secundário é, pelas escolas que fui passando, um aparelho considerado caro, por vezes demasiado complicado para as tarefas habituais, e que existe em pouca quantidade, pelo que geralmente é feita uma única montagem para todo um grupo de alunos em vez de várias montagens, o que permitiria o trabalho em grupos mais pequenos.

O aspeto de um digitímetro que costumamos encontrar nas nossas escolas (e que ilustra um protocolo experimental proposto pela editora Areal) é o seguinte:

Não querendo parecer esquisita, nunca percebi porque é que o digitímetro é nos nossos laboratórios um aparelho tão pesado, com tantos fios, pouco portátil, demasiado caro para estender o seu uso a níveis de ensino mais precoces...e por isso, achei que conseguia fazer um com um arduino e um PIR.

Material usado: arduino, breadboard, fios de ligação, plug-in para uma pilha de 9V, LCD 1602, sensor PIR.

Para ficar com uma ideia de qual o custo unitário deste digitímetro, fiz uma busca rápida pelo aliexpress e consegui um kit básico de arduino com a placa UNO, a breadboard, fios de ligação e plug-in para a pilha por 5,08€;  um LCD (já com os pinos soldados) por 1,77€ ; um sensor PIR por 0,31€. Podem dar jeito alguns fios com extremidades macho-fêmea (para poder afastar o sensor PIR da breadboard) - conseguem-se 40 cabos de 20 cm por 0,83€. Conseguimos pois, mandando vir o material pelo aliexpress, todo o projeto por 7,99€. E ainda sobrarão muitos cabos para projetos futuros...

Quanto ao esquema, há que ligar devidamente o LCD, o que foi estudado em post anterior, e o PIR. Nesta montagem, optámos pela solução de ligar o pino 3 do LCD (que define o contraste) à saída PWM do arduino (D6) em vez de o ligarmos a uma resistência variável. A saída do PIR foi ligada à entrada digital 13 do arduino (D13). O esquema que proponho é o seguinte:

E a programação? O programa de um digitímetro não tem nada de complicado. Para o compreender, há que rever o funcionamento do PIR e do LCD. Basicamente, a ideia é esperar que o PIR, ligado à entrada 13 do arduino, altere o seu estado de HIGH para LOW (o que revela a presença de um obstáculo dentro da zona sensível do PIR) e medir o tempo até que o sinal volte novamente a HIGH. Esse tempo corresponderá ao da passagem do obstáculo em frente do PIR. O ângulo de deteção é de 35º, razoavelmente pequeno; ainda assim, deve tentar-se que a distância entre o objeto e o PIR seja a menor possível para minimizar o erro na medida devido a esse ângulo. Relativamente aos programas anteriores a única função nova é millis(), cuja descrição pode ser encontrada no site do arduino.

Deixo aqui o programa integral:

Finalmente, partilho um vídeo com o digitímetro em funcionamento:

Introdução à linguagem C - exploração do LCD 1602 (ou como fazer um ohmímetro)

Há algum tempo que estou para explorar o uso de LCD em circuitos programados com arduino. Na verdade, tenho um projeto em mente, mas precisava antes de estudar o uso destes componentes eletrónicos.

Antes de mais, displays há muitos...usei um vulgar, o 1602, que se encontra no mercado nacional por valores que rondam os 7€ e no aliexpress por valores inferiores a 2€ . Enfim, um componente acessível com um potencial importante em projetos que envolvam a interação com o utilizador.

Começo por referir que a maioria dos displays comprados precisa de ser soldado a uma barra de 16 pinos para permitir a ligação à breadboard. Se está a pensar comprar o LCD e não tem recursos de soldadura, justifica pesquisar e pagar mais por um LCD com a barra de pinos já soldada. Na net é possível encontrar tutoriais sobre soldadura de LCD.

A principal vantagem deste LCD é que, usando um driver compatível com o Hitachi HD44780, partilha a pinagem com um grande número de LCD (que são geralmente reconhecíveis por terem 16 pinos) e tem à sua disposição livrarias incluídas já no software do arduino que tornam a sua programação bastante acessível.

A pinagem e a montagem de circuitos entre o LCD e os arduino estão ilustrados na apresentação eletrónica que se segue; também as principais funções associadas à livraria usada para programar com estes LCD estão aí explicadas. Vale a pena acrescentar que, ao contrário de que foi feito nos tutoriais que consultei, é possível prescindir da resistência variável que controla o contraste do LCD - a solução passa por usar as saídas PWM do arduino e está descrita no site BR-Arduino.org.

Acho que merece maior explicação a última tarefa proposta na apresentação eletrónica, a construção de um ohmímetro. Como a estratégia de resolução pode não ser evidente para quem tenha menos prática de eletrónica, vou explicá-la com algum detalhe:

O caminho que proponho é o recurso ao um divisor de tensão. Um divisor de tensão é uma técnica de projeto utilizada para gerar uma tensão elétrica proporcional à tensão de alimentação (e que encaminharemos para a entrada analógica A0):

No projeto em concreto, Vin é ligado à tensão de alimentação, 5V, R1=10 kohm, Vout é ligado à entrada analógica A0 e R2 é a resistência cujo valor se pretende medir:

Claro que o valor lido na entrada A0 não está em volt, mas num valor entre 0-1023, pelo que é necessário, a partir de uma regra de 3 simples, e antes de resolver os cálculos referidos anteriormente, converter o valor lido diretamente em A0 para tensão de valor entre 0-5V.

Em resumo: depois de ligar o divisor de tensão à entrada analógica A0, há que:

1. Medir o valor da entrada A0 (que estará entre 0-1023);
2. Converter o valor anterior para tensão: 
   
3. Calcular o valor da resistência R:
   
4. Enviar o valor de R para o display LCD;
5. Fazer um delay (eu fiz de 1s) antes de nova medida.

Deixo a apresentação eletrónica com a introdução ao estudo do LCD 1602...

...e um pequeno vídeo com o nosso ohmímetro em funcionamento:

De novo às compras...agora com financiamento!

O projeto Arduino na Escola foi apoiado, através do Concurso dos CLUBES DE PROGRAMAÇÃO E ROBÓTICA (CPR) relativo ao ano letivo 2014/15 , com o valor de 250€.

Para um clube como o nosso, ainda tão incipiente, esta foi uma ajuda preciosa para conseguir material e equipamento que nos torne um pouco mais independentes e com capacidade para fazer mais (e melhor!).

Por isso, fomos às compras. Adquirimos:

• 4 conjuntos Arduino Physical Computing Kit (48,00€ cada)

• 2 servo motores HD-1160A (8,95€ cada)

• Vários LED no valor de 4€

Os valores referidos são todos sem IVA.


Este tipo de apoios é fundamental para que pequenos clubes possam vingar nas nossas escolas. A área de eletrónica e programação é uma área ainda pouco explorada nas escolas portuguesas e que podia ser uma mais valia se usada não só para captar alunos desmotivados mas com interesse por esta área de estudo, mas também para desenvolver em alunos adaptados à escola novas competências e dar-lhes outras perspetivas do mundo académico e profissional.

A propósito de bons alunos, tive há alguns anos atrás a experiência de lecionar Física de 12º ano a uma turma de "bons alunos" que se preparava para entrar em várias engenharias e que, ao longo da sua vida académica nunca tinham tido a oportunidade nem de montar um circuito eletrónico, nem de programar uma única linha de código...

A escola não se faz só de alunos desmotivados que têm de ser captados de alguma forma. Faz-se também de alunos interessados e que merecem que lhes sejam canalizados recursos e que a escola se preocupe em lhes proporcionar novas experiências e novas formas de ver o mundo. Nesse sentido, a aposta em clubes - de eletrónica, de teatro, de leitura, de música, de desporto...- faz todo o sentido na escola de hoje. Assim haja vontade de os apoiar!

Equipamento avariado? É connosco!

Pois que usámos a última sessão do período para desmontar equipamento estragado que havia pela escola. Com a colaboração da coordenadora da biblioteca da escola e do coordenador dos equipamentos informáticos, conseguimos 2 impressoras e 1 scanner que há muito estavam avariados e a ocupar espaço. 

A diretora de turma, que dá aulas na oficina, disponibilizou-nos o espaço e algumas ferramentas (que não eram suficientes - alguns alunos trouxeram ferramentas de casa, emprestadas) - e daqui se concluiu que trabalhar numa escola colaborativa não tem preço...

Depois...foi mão à obra! Os alunos aderiram da melhor maneira à atividade, afinal não é todos os dias que podemos desmanchar equipamentos eletrónicos. Mostraram-se muito interessados e empenhados. Curioso o facto de, à medida que iam recuperando material, começarem desde logo a encontrar-lhe um fim para um possível projeto ("Posso ficar com este eixo, professora? Acho que dava mesmo para um elevador...").

Recuperámos várias estruturas metálicas, componentes eletrónicos (dessoldados a placas de circuito impresso), motores, muitos cabos elétricos...

...e ganhámos entusiasmo e outra perspetiva relativamente à reciclagem de equipamentos eletrónicos.

De entre as peças recuperadas, tenho particular esperança na quantidade de motores que conseguimos - vários motores de corrente contínua e dois motores de passo (que eu ainda vou ter de estudar como controlar através de Scratch...).

Como nota final, esta é uma atividade muito suja. No final da hora, estamos todos cheios de óleo, bancadas e chão para esquecer. Haverá também muito lixo que tem de ser colocado no contentor correto. A turma com que estou a trabalhar tem, entre as áreas vocacionais, jardinagem. Para esta atividade foi uma mais valia porque estão habituados a pegar em sacos de lixo e levar para o contentor fora da escola. Também contei com a colaboração dos alunos para lavar as bancadas e o chão, que teve de ser varrido e bem passado com esfregona. Sem essa colaboração e boa vontade, uma atividade desta natureza seria impraticável. Obrigada pelo envolvimento de todos!

Eletrónica básica - o condensador

O condensador é um componente eletrónico que tem a capacidade de armazenar cargas elétricas, conseguindo assim manter uma tensão estável aos seus terminais.

A capacidade de "armazenar" cargas depende das caraterísticas construtivas do condensador e é medida em farad (F).

O aspeto destes componentes é muito diversificado.

Apesar de também haver um código de cores para os condensadores, tal como para as resistências, o mais vulgar é encontrarmos o valor da sua capacidade indicada no componente. Outra grandeza que deve ser observada é a tensão (V) indicada no condensador que indica a tensão máxima a que pode estar sujeito.

Há dois grandes tipos de condensadores vulgarmente usados em eletrónica: aqueles que não exigem polarização e que, por isso, é indiferente a forma de os ligar (os mais vulgares são os de cerâmica e poliéster); e os que exigem polarização (de entre os quais os eletrolíticos são os mais comuns).

• Condensadores de poliéster e de cerâmica: não temos de nos preocupar com a forma com que os ligamos. O seu aspeto é o seguinte:

• Condensadores eletrolíticos: há que ter bastante cuidado em ligar o cátodo à alimentação negativa (ou GND) e o ânodo à alimentação positiva, caso contrário podem explodir lançando ácido. Eis o seu aspeto:

Em termos de simbologia elétrica, estes dois tipos de condensadores distinguem-se da seguinte forma:

O facto do condensador permitir a estabilização da tensão aos seus terminais, torna-o útil em muitos projetos. No projeto do post anterior, da cancela que abre e fecha, evita o pico de tensão que surge no início do movimento do servo motor, uma vez que no momento do "arranque" o servo motor exige mais corrente que durante o movimento.

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.

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: