automatización de experimentos con arduino
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AUTOMATIZACIÓN DE EXPERIMENTOS CON ARDUINO
José Tejeda, Dariel Delfín, Alfa Leyva.
Recebido em 15/10/2017 e aceito em 30/10/2017 pela Revista Cubana de Física, VOL 34, NO. 2 (2017).
Bolsista: Valesca Taciele Oliveira da Silva
Tutor: Raimundo Nonato de Medeiros Júnior
Física - Jc
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AUTORES
•Jose Angel Lesteiro Tejeda
• Formação:
• Graduando pelo Instituto Superior de
Tecnologia e Ciências Aplicadas (InSTEC) no
quarto ano da carreira em Física Nuclear.
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AUTORES
•Dariel Hernández Delfín
• Formação:
• Doutorado pela Universidade de Navarra
(em andamento);
• Graduado em Física Nuclear pela
Universidade de Navarra.
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AUTORES
• Alfo José Batista Leyva
• Formação:
• Doutor em Ciências Físicas pela Universidade de
Havana - Cuba;
• Mestre em Ciências Físicas pela Universidade de
Havana - Cuba;
• Licenciado em Física pela Universidade do Oriente.
• Area de atuação:
• Professor Catedrático do Instituto Superior de
Tecnologia e Ciências Aplicadas InSTEC;
• Pesquisador de física de meios granulares, biofísica
e Ensino de Física.44
RESUMEN
La experimentación es base fundamental del método científico. La realización de experimentos
precisos y exactos sirve para ganar conocimiento del Universo, esencial tanto para la formulación de
nuevas teorías como para comprobarlas, una vez formuladas. Una tendencia contemporánea es la
automatización de las instalaciones experimentales, lo que garantiza la repetitividad de las
condiciones de realización del experimento, así como una flexibilidad extrema en el diseño de las
mediciones. Un aspecto que no debe soslayarse es el costo de las instalaciones. En la presente
contribución discutimos elementos del plan de estudios de las carreras de ciencias e ingeniería del
InSTEC relacionados con la experimentación. Luego discutimos brevemente la arquitectura y
programación de un micro-controlador Arduino, centrándonos en la automatización de algunas
prácticas de laboratorio de Física General para estudiantes usando dichos dispositivos. Por último,
discutimos los beneficios potenciales para el desempeño profesional del graduado, así como para
sus competencias profesionales.
dimencionamento
negligenciado
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• Experimentação é um componente essencial da física.
• Esta é a razão pela qual, no currículo de Física Geral para estudantes de ciências naturais e
engenharia, os laboratórios são tão importantes.
• A ciência experimental moderna requer experimentos automatizados. Isso pode estar
relacionado à agressividade dos ambientes de medição, com a realização de medições
prolongadas ou em locais de difícil acesso. É por isso que é conveniente introduzir a automação de
práticas laboratoriais com dispositivos seguros, facilmente programáveis e baratos.
• Estas características são preenchidas pelos microcontroladores (μc) Arduino.
INTRODUÇÃO
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• Quando os currículos das carreiras do InSTEC são analisados, percebe-se a importância da
experimentação para os graduados.
• No caso de uma Análise Nuclear-Física explícita, "eles devem realizar pesquisas destinadas a
melhorar a eficiência dos processos produtivos e de serviço, estabelecendo novas técnicas de análise,
realizando pesquisas aplicadas, desenvolvendo processamento computacional dos resultados”[3].
• Isso nos diz que qualquer melhoria no ensino de técnicas experimentais resultará nas habilidades
profissionais do graduado, em seu desempenho e competências profissionais.
IMPORTÂNCIA DA EXPERIMENTAÇÃO NO CAMPO ACADÊMICO
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O USO DO ARDUINO EM LABORATÓRIOS DE FÍSICA GERAL
- Descrevemos o uso do Arduino em um grupo de práticas de diferentes disciplinas da Física Geral.
As práticas são:
1. Estudo de queda livre (mecânica)
2. Carga - descarga de um capacitor (eletromagnetismo)
3. Estudo da luz polarizada (óptica)
4. Medição e controle de grandezas físicas (prática conclusiva)
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METODOLOGIA
• A ideia geral de que todas essas práticas se seguem é a seguinte: um sensor apropriado é
conectado ao Arduino para medir a magnitude física de interesse, assim como qualquer saída de
tensão caso seja necessário e um programa que controla e armazena as informações. Mostramos
um breve resumo de como cada prática é organizada e descrevemos em detalhes a prática 2.
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1. ESTUDO DE QUEDA LIVRE (MECÂNICA)
• O Arduino é usado como temporizador. O objeto é suspenso por um eletroímã, começando
a cair quando o Arduino interrompe a fonte de alimentação. O contador para quando um
sensor de luz detecta a interrupção do fluxo de luz proveniente de uma fonte (que pode ser
alimentada pelo Arduino). O programa dá o tempo que decorre no processo.
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2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
• Objetivo: estudar o processo de carga e descarga de um capacitor para, comparando com a
equação teórica que descreve o processo, calcular o valor de sua capacidade.
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EQ. TEÓRICA PROCESSO DE CARGA
( Eq.1)
• τ é o tempo que leva para carregar até 63%
do f.e.m. ( Eq.1)
EQ. TEÓRICA PROCESSO DE DESCARGA
( Eq.2)
• τ é o tempo que leva para atingir 37% da
tensão inicial.
2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
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2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
• Materiais utilizado na prática:
• Arduino Uno;
• Capacitor eletrolítico de 494 µF;
• Resistor de 985 Ω;
• Jumpers;
• Protoboard.
• Quando as medições são feitas
manualmente, é necessário realizar um
grande número de repetições do
experimento, a fim de reduzir o
componente do tipo A da incerteza.
• O uso do Arduino torna o processo mais
simples e preciso. Isso ocorre porque o μc
pode funcionar como f.e.m. por uma saída
digital e como um voltímetro por uma
entrada analógica.
2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
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2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
• O Arduino pode realizar leituras de tensão em
tempos da ordem de milissegundos, o que nos
permite assumir um grande número de pontos
de tensão em função do tempo, tanto na carga
quanto na descarga;
• Nós apenas temos que dizer à placa que, se
detectar a diferença de potencial no capacitor
no início do processo, feche o circuito interno
para que ele seja descarregado através do
resistor.
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• O programa é executado da seguinte maneira:
Quando a tensão fixa mínima (neste caso 0,01 V) for atingida, você deve abrir o circuito
convertendo seu interior para uma fonte de 5 V até que a tensão máxima seja atingida
durante o carregamento (por exemplo 4,8 V) e depois fechando novamente seu circuito
para observar a descarga.
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2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
• Resultado obtido pelo arduino
2. CARGA - DESCARGA DE UM CAPACITOR (ELETROMAGNETISMO)
• As medições foram programadas com um
intervalo de 10 ms, portanto, o tempo é
suficiente para medir a tensão. Com esses
dados, valores de capacidade C = 460 μF são
obtidos na carga e C = 477,4 μF na descarga,
comparáveis aos obtidos por outros métodos,
incluindo um multímetro profissional.
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3. ESTUDO DA LUZ POLARIZADA (ÓPTICA)
• Esta prática pertence ao laboratório de óptica e seu objetivo é o teste experimental da Lei de
Malus, que relaciona a irradiância da luz emergente de um polaroide ( I ) com a irradiância da
luz polarizada incidente ( I ) e o ângulo (θ) que forma a tela de vibração na luz incidente com a
direção de polarização:
• Na prática, o μc é acoplado a um sensor de radiação visível (por exemplo, um fotodiodo) para
medir a irradiância da luz emergente. É feito uma medição relativa da irradiância, de modo que
a leitura da tensão deve ser calibrada medindo seu valor na escuridão total e com a iluminação
máxima.
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S
E
E
S
4. MEDIÇÃO E CONTROLE DE GRANDEZAS FÍSICAS (PRÁTICA CONCLUSIVA)
• O controle de vários fatores ambientais, como temperatura, umidade e iluminação (entre outros), é
um aspecto fundamental na vida profissional da maioria dos cientistas, tanto para a realização
de experimentos como para o registro de condições físicas em ambientes fechados ou fora.
• É por isso que propomos uma prática de ciclo completo de laboratórios de física que inclui a
medição de várias grandezas físicas simultaneamente e a emissão de sinais que podem ser
usados para o controle.
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• As técnicas de automação de experimentos com microcontroladores contribuem para o Ensino
da Física experimental por diversos elementos que a tornam recomendável:
• Programar μc Arduino (ligado à programação em C, C ++).
• Automatizar experimentos (nova habilidade experimental).
• Familiarize-se com uma nova tecnologia, cada vez mais utilizada em ciência e tecnologia,
o que resultará em novas habilidades profissionais do graduando.
CONCLUSÕES
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Obrigada!
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