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Como funcionam os sensores na placa GoGo?
Resistência
Como os sensores fazem a “mágica” de “sentir” temperatura, luz, umidade? Para entendê-los, vamos lembrar de um exemplo familiar: o termômetro de mercúrio, utilizado para medir febre. O mercúrio é um metal extremamente sensível ao calor, e se expande rapidamente quando temperatura aumenta. Assim, quando encostamos o bulbo do termômetro em uma pessoa com febre, o calor dela é absorvido pelo mercúrio, que se expande. Olhando a marcação no termômetro, podemos saber exatamente a temperatura da pessoa. Existem outros materiais na natureza que “reagem” a todo tipo de variável ambiental. O princípio é sempre o mesmo: o material ou substância sofre alguma transformação, que pode ser medida por meio de análise visual ou de instrumentos eletrônicos.
A maioria dos sensores eletrônicos, em vez de se expandirem como o mercúrio, mudam sua resistência interna. Mas o que é “resistência”? Ela indica a dificuldade de passagem de corrente elétrica. A maioria dos metais têm resistências muito baixas, e portanto são ótimos condutores. Plástico e borracha, por outro lado, têm uma resistência altíssima e praticamente não conduzem eletricidade nenhuma. É por isso que os utilizamos como isolantes em cabos elétricos.
Portanto, se pudermos medir a resistência de um sensor de luz, podemos detectar quanta luz ele está recebendo. O mesmo vale para os sensores de temperatura, umidade etc. É exatamente isso que a placa GoGo faz: mede a resistência de cada um dos sensores e transforma em um número de 0 a 1023. Zero corresponde à resistência nula (como se os dois terminais do sensor estivessem em curto-circuito), e 1023 é a máxima. Portanto, a regra é: quanto maior a resistência, maior será o número mostrado pela placa GoGo. Note que esse valor é arbitrário – para convertê-lo para Graus Celsius, por exemplo, precisamos fazer alguns cálculos de conversão. A fórmula de conversão é normalmente fornecida pela empresa fabricante do sensor.
Cálculo dos valores dos sensores
Se você estiver interessado nos detalhes técnicos sobre os sensores, vamos apresentar nessa seção algumas informações para conversão dos valores em unidades reais (Graus Celsius, por exemplo).
Há um resistor de referência de 33 kOhm ligado a cada porta, que é usado para calcular o valor dos sensores. A microcontrolador mede a queda de tensão em cada um dos sensores, que pode ser calculada por meio da seguinte equação:
V = 5 x ( Rs / (33K + Rs))
Onde Rs = resistência do sensor
Pela equação e pela figura, podemos inferior que, se a queda de tensão no sensor for 5V, o valor será 1023. Podemos usar a mesma equação para calcular o valor dos sensores diretamente:
Valor do sensor = 1023 x (Rs / (33k + Rs))
Se o sensor tiver uma resistência de 10 kOhm, o valor calculado pela placa será:
1023 x (10000 / (33000 + 10000)) = 238
As portas de sensores na placa GoGo
A placa GoGo tem oito portas de sensores. Cada uma delas tem três pinos, como vemos na figura seguinte. As primeiras duas fileiras de pinos são as que a maioria dos sensores usam (neutro e sinal do sensor). A terceira fileira é uma fonte de energia para aqueles sensores que necessitam energia para funcionar (sensores ativos).
Sensores ativos e passivos
Os sensores que mencionamos até agora são os chamados “sensores passivos”. Eles não necessitam de uma fonte de energia para funcionar. Os sensores ativos, entretanto, precisam que energia seja fornecida para que funcionem. Uma forma fácil de distinguir sensores ativos dos passivos é contar o número de pinos que eles têm. Os sensores passivos normalmente têm dois pinos, e os ativos três (o pino extra é o que fornece energia).
Apesar dos sensores ativos serem um pouco mais complexos, eles abrem uma enorme gama de possibilidades para os projetos. Como exemplos desse tipo de sensores, poderíamos citar o sensor infravermelho (detecta a presença de objetos ou pessoas, muito usado em portas automáticas), o magnético (também chamado de “sensor de efeito Hall”), o de ruído, vibração etc.
Sensores passivos
Vamos aprender aqui a fazer três tipos de sensores passivos: toque, luz e temperatura. Como já mencionamos, os sensores passivos têm dois pinos (que aqui denominaremos de “pino 1” e “pino 2”).
Sensores de toque
Os sensores de toque são o tipo mais simples de sensores, mas são extremamente úteis. Seu princípio de funcionamento é bastante simples: duas superfícies metálicas, quando pressionadas, fecham o contato elétrico. É exatamente assim que funciona um interruptor de luz ou uma campainha. Com isso, podemos detectar o toque ou “pisada” de uma pessoa, o contato de dois objetos, ou contato de um objeto com um obstáculo (uma carrinho batendo na parede, por exemplo). Vejamos alguns exemplos de sensores de toque:
Papelão e papel alumínio
Provavelmente, essa é a forma mais simples (e barata) de fazer um sensor de toque. Duas tiras de papel alumínio são coladas em um pedaço de papelão dobrado em dois, de forma que elas se toquem quando o papelão for pressionado. Basta conectar um pedaço de fio a cada tira de papel alumínio e conectá-los à placa GoGo. O papel alumínio pode ser substituído por qualquer outro material metálico (condutor): prego, clipes de papel etc.
Palitos de sorvete e papel alumínio
Palitos de sorvete são muito úteis para a construção de estruturas simples, já que são mais rígidos e duráveis que papel mas são facilmente manipuláveis. Portanto, podemos construir um sensor de toque bem mais resistente. A figura seguinte mostra um exemplo desse tipo de sensor.
Sensores de toque “sanduíche”
Esse tipo de sensor é semelhante aos dois anteriores, mas tem uma camada de material isolante (plástico, borracha, papel etc.) entre as duas tiras de papel alumínio. Transparências de retroprojetor são bons materiais para esse tipo de sensor, já que são bastante flexíveis.
Interruptores comerciais
Há uma infinidade de sensorss de toque comerciais, facilmente encontráveis em lojas de materiais elétricos ou eletrônicos. Há vários tipos e tamanhos, e um dos mais comuns são os do tipo “alavanca”, mostrado na figura seguinte. Outra boa fonte desse tipo de sensores são aparelhos eletrônicos quebrados.
Sensores de luz
O mais comum dos sensors de luz é o chamado “RDL” (resistor dependente de luz). Ele é mais conhecido pela sua abreviação em inglês: “LDR” (light dependent resistor) , ou pelo nome de fotocélula. Eles são muito usados em postes de iluminação pública, por exemplo. Como o nome indica, os RDLs são resistores que mudam a sua resistência interna dependendo da intensidade da luz que neles inside.
Sensor de umidade
Há vários tipos de sensores de umidade. O tipo mais simples pode ser construído com apenas dois fios desencapados conectados à placa GoGo. Quando o solo fica mais úmido, ele conduz mais eletricidade e o valor do sensor muda. A mesma idéia pode ser usada para construir um sensor de água: se os fios tocam a água, há condução de energia através do líquido e a placa GoGo acusará a mudança.
Entretanto, para medir umidade do solo, esse sensor simples (com apenas dois fios) não oferece valores muito confiáveis. Uma forma de melhorar a qualidade da medida é conectando os fios a uma pequena placa de gesso (ou qualquer outro material absorvente). Dessa forma, o gesso “filtra” água do solo, resultando em um meio condutor mais puro e, conseqüentemente, mais confiabilidade nos valores fornecidos pelo sensor. O sensor da figura seguinte foi feito com gesso e gaze hospitalar.
Sensores de temperatura
A forma mais fácil de fazer um sensor de temperatura é usando um termístor. Esse componente é muito usado em fornos de microondas, termostatos e outros sistemas de controle de temperatura. Há termístores passivos e ativos (esses, ao contrário do primeiro tipo, têm um terceiro pino para a alimentação de energia). Um fator importante para a escolha do componente é a sua resistência interna: para a placa GoGo, qualquer valor entre 10 kOhm e 50 kOhm é adequado.
Sensores ativos
Sensores de luz refletida
Esse tipo de sensor é útil para detectar a presença de um objeto sem precisar tocá-lo. Você pode detectar uma pessoa entrando por uma porta o a mão de alguém se aproximando do sensor.
A idéia do sensor é fazer incidir luz sobre um Resistor Dependente de Luz (mais conhecido com LDR, sua abreviação em inglês). Se algum obstáculo aparece na frente da fonte de luz, o LDR detecta a mudança de luminosidade. A fonte de luz pode ser desde uma lâmpada de lanterna até um apontador laser (mais preciso).
Outra modalidade possível é o sensor de luz refletida: colocamos a fonte de luz e o sensor do mesmo lado, de modo que o LDR detecte apenas a luz que for refletida de volta para ele. A vantagem dessa modalidade é que o conjunto sensor-fonte de luz fica sempre junto, e não é preciso mantê-los sempre alinhados.
Com apenas um LED e um LDR você pode fazer um sensor de luz refletida. Lembre-se que é importante usar um LED com boa intensidade luminosa. De qualquer forma, a faixa de funcionamento do sensor deve ficar entre 2 e 3 cm. Outras fontes luminosas também podem interferir na precisão do sensor.
Na figura seguinte apresentamos um esquema desse sensor. A função do resistor é limutar a corrente que vai para o LED. Quanto menos o valor do resistor, mais brilhante será a luz do LED.
Como usar luz infravemelha
Uma forma muito melhor de construer o sensor reflexivo é usar luz infravermelha (IV). Umas das vantagens é que há muito menos interferência de outras fontes luminosas. A luz IV é invisível ao olho humano, e portanto útil quando o sensor tem que ser discreto (em um sistema de segurança, por exemplo).
Note que, nesse diagrama, usamos um fototransístor infravermelho no lugar do LDR. O esquema seguinte mostra como construir o sensor.
Sensores reflexivos comerciais
Você pode também comprar sensores reflexivos comerciais, que têm a fonte de luz infravermelha e o fototransístor embutidos no mesmo dispositivo. Eles são normalmente bem compactos e apresentam leituras mais confiáveis. Em seguida vemos um exemplo de como montar um desses sensores reflexivos comerciais. (digikey.com - código: QRD1114-ND).
Sensores magnéticos, ou de Efeito Hall
Esse sensor detecta a presença de imãs e campos magnéticos. Sua aplicação é similar ao sensor de luz infravermelha, mas eles não dependem de luz, o que significa que são mais confiáveis. Entretanto, eles necessitam de um imã para serem ativados.
Em seguida vemos um exemplo de como montar um desses sensores. (digikey.com - código: DN6848-ND).
Onde encontrar sensores
Se você mora ou está de passagem pelos Estados Unidos, ou conhece alguém que pode trazer uma encomenda, pode tentar comprar sensores de um dos sites abaixo:
Outras referências
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