Primeiros Passos com Sensores

Primeiros Passos com Sensores Kimmo Karvinen Tero Karvinen

Novatec

Authorized Portuguese translation of the English edition of titled Getting Started with Sensors, ISBN 9781449367084 © 2013 Tero Karvinen, Kimmo Karvinen published by Maker Media Inc.. This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., the owner of all rights to publish and sell the same.

Tradução em português autorizada da edição em inglês da obra Getting Started with Sensors, ISBN 9781449367084 © 2013 Tero Karvinen, Kimmo Karvinen publicada pela Maker Media Inc.. Esta tradução é publicada e vendida com a permissão da O'Reilly Media, Inc., detentora de todos os direitos para publicação e venda desta obra. © Novatec Editora Ltda. 2014.

Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998. É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização, por escrito, do autor e da Editora.

Editor: Rubens Prates Tradução: Lúcia A. Kinoshita Revisão gramatical: Marta Almeida de Sá Editoração eletrônica: Carolina Kuwabata ISBN: 978-85-7522-402-1 MP20140929 Histórico de impressões: Outubro/2014

Primeira edição

Novatec Editora Ltda.

Rua Luís Antônio dos Santos 110 02460-000 – São Paulo, SP – Brasil Tel.: +55 11 2959-6529 E-mail: novatec@novatec.com.br Site: www.novatec.com.br Twitter: twitter.com/novateceditora Facebook: facebook.com/novatec LinkedIn: linkedin.com/in/novatec

Observação sobre figuras coloridas Na página do livro, em novatec.com.br/catalogo/7522402-sensores, estão disponíveis para download versões coloridas de algumas figuras do livro.

capítulo 1

Sensores

Você está cercado de sensores em seu cotidiano. O mundo está cheio deles: de sensores infravermelhos passivos em detectores de movimento a detectores de CO2 em sistemas de ar-condicionado e até mesmo minúsculos acelerômetros, módulos GPS e câmeras dentro de seu smartphone ou de seu tablet – os sensores estão por toda parte! A variedade de aplicações com sensores é impressionante. É seguro supor que, se um dispositivo eletrônico é considerado “inteligente”, ele estará repleto de sensores (Figura 1.1). Com efeito, graças à proliferação dos dispositivos inteligentes, especialmente de telefones, os preços dos sensores estão se tornando mais acessíveis. Não só é economicamente viável adicionar sensores sofisticados aos seus projetos como também eles ampliam bastante os tipos de projeto que você pode desenvolver.

Você aprenderá a respeito dos sensores neste livro ao desenvolver pequenos projetos e refletir sobre a experiência. É mais divertido implementar primeiro e depois discutir, porém ambas as atividades são igualmente importantes. É melhor evitar a tentação de somente implementar o projeto e pular as seções conceituais.

Começar a trabalhar com os sensores é fácil, e apenas o céu é o limite.

A eletrônica desafia alguns dos melhores cérebros diariamente e gera inovações e novas dissertações. Por outro lado, até mesmo uma criança pode começar a trabalhar com um pouco de orientação.

Se você não sabe muito a respeito de sensores ainda, tente se lembrar de como você se sente agora. Depois de encarar alguns desafios e criar alguns gadgets, muitos dos mistérios obscuros que cercam os sensores provavelmente parecerão ser senso comum a você.

15

16

Primeiros Passos com Sensores

Este livro é adequado para qualquer pessoa interessada em sensores (veja a figura 1.2). Depois de criar os gadgets e de ter lido este livro, você poderá ter ideias para projetos maiores que estão no nosso livro Make: Arduino Bots and Gadgets (http://bit.ly/make-abg) ou poderá aprender sobre sensores mais sofisticados em Make: Sensors (http://bit.ly/make-sensors). Para uma visão mais ampla do básico, consulte Getting Started with Arduino, 2nd Edition (http://bit.ly/Arduino_Started), de Massimo Banzi, Primeiros passos com o Raspberry Pi (http://www.novatec.com.br/livros/raspberrypi/) de Matt Richardson e Shawn Wallace ou Make: Electronics (http://bit.ly/make-elec) de Charles Platt.

Figura 1.1 – Vários sensores: proximidade por infravermelho, rotação, brilho, botão, temperatura e distância.

O que são sensores? Os sensores são componentes elétricos que funcionam como dispositivos de entrada. Nem todas as entradas são explicitamente sensores, porém quase todas elas utilizam sensores! Considere o mouse ou o trackpad de seu computador, um teclado ou até mesmo uma webcam; eles não são sensores, porém, certamente, usam sensores em seus designs. De modo mais abstrato, você pode classificar os sensores como um componente que serve para medir um estímulo externo ao sistema em que ele estiver (o seu ambiente). Os dados de saída são baseados na medição. Por exemplo, ao digitar em um teclado, a letra que aparece em sua tela (a saída) é baseada na medição (que tecla foi pressionada no teclado). A quantidade de letras que aparecem na tela é baseada em outra medição (o tempo que você manteve a tecla pressionada).

Capítulo 1 ■ Sensores

17

Figura 1.2 – Uma conexão AND simples com botões, criada e projetada por um garoto de quatro anos com a ajuda de um adulto.

O primeiro projeto utiliza um fotorresistor para medição de luz. Sem o fotorresistor (ou um sensor semelhante), não há nenhuma maneira de o circuito saber o quanto um ambiente está iluminado. Ao adicionar o sensor, seu circuito saberá algo de que ele não tinha conhecimento antes.

Todos os projetos deste livro avaliam um estímulo em particular do ambiente. Nada disso seria possível sem os sensores. Vamos começar a implementação para que você possa conhecer os dados de entrada e de saída que os sensores fornecem aos projetos.

Projeto 1: Fotorresistor para medição de luz A luz em um ambiente é bastante informativa: o horário do dia pode ser determinado de acordo com o ângulo do sol, dirigimos um carro de forma mais segura à noite se as lanternas estiverem acesas e as pessoas que não tomam sol o suficiente no dia a dia podem ficar deprimidas em decorrência do transtorno afetivo sazonal (SAD, ou Seasonal Affective Disorder). Desse modo, a luz exerce influência sobre diversos aspectos de sua vida, e medi-la também pode ser divertido.

O sensor mais simples para detectar a luz é um fotorresistor. Não é incomum também encontrar outro nome para o mesmíssimo sensor: LDR (Light-Dependent Resistor, ou Resistor dependente de luz). O componente funciona ao alterar sua resistência de acordo com a quantidade de luz que incide sobre ele.

18

Primeiros Passos com Sensores

Agora que você sabe qual é o sensor correto a ser usado, a próxima pergunta em que você deve pensar é como processar as medidas do sensor.

Se você já trabalhou com um LED (Light-Emitting Diode, ou Diodo emissor de luz), mostrado na figura 1.3, deve saber que a resistência é um aspecto importante do ponto de vista elétrico. Por exemplo, se você já usou um resistor de valor mais alto que o solicitado por um projeto para o LED, deve ter percebido que resistência demais pode impedir um LED de acender. Essa mesma observação básica é aplicável a esse projeto.

Figura 1.3 – LEDs.

O circuito foi projetado de modo que um LED seja dependente da medida do fotorresistor. Se houver resistência demais, o LED simplesmente não acenderá. Chega de discussão – é hora de implementar! A figura 1.4 mostra o projeto finalizado.

Figura 1.4 – O projeto do fotorresistor finalizado.

Peças Você precisará das seguintes peças nesse projeto: • Fotorresistor

Capítulo 1 ■ Sensores

19

• LED vermelho de 5 mm (LEDs diferentes funcionarão de modo diferente com esse circuito; mais adiante, você conhecerá uma maneira mais sofisticada de fazer os LEDs se apagarem) • Resistor de 470 Ω (resistor de quatro faixas – amarelo/violeta/ marrom; resistor de cinco faixas – amarelo/violeta/preto/preto; a última faixa irá variar de acordo com a tolerância do resistor) • Placa de teste (breadboard) • Clip (conector) para bateria de 9 V • Bateria de 9 V Todas essas peças, exceto a bateria de 9 V e o resistor de 470 Ω, estão disponíveis na Maker Shed Mintronics: Survival Pack (http://bit.ly/mintron-sp), com código de identificação do produto igual a MSTIN2. Você pode usar dois resistores de 220 Ω em série ou um resistor de 1 kΩ no lugar do resistor de 470 Ω; ambos estão disponíveis em lojas de componentes eletrônicos como a RadioShack.

Implemente Aqui estão os passos para a implementação desse projeto:

1. Oriente a sua placa de teste para que ela seja mais larga do que alta, como mostrado na figura 1.5.

Figura 1.5 – Diagrama do circuito para o projeto do fotorresistor.

20

Primeiros Passos com Sensores

2. Observe o seu LED e determine qual terminal tem um lado achatado acima dele, no invólucro de plástico colorido – isso indica o terminal negativo do LED (o terminal negativo também é o mais curto dos dois), conforme mostrado na figura 1.6. Os LEDs têm uma determinada polaridade, e colocá-los de forma invertida poderá danificá-los.

Figura 1.6 – Perna negativa do LED.

3. Insira o fotorresistor para que o terminal negativo do LED e um dos terminais do fotorresistor ocupem a mesma coluna. O segundo terminal do LED (positivo) deve ocupar sua própria coluna por enquanto. Observe novamente a figura 1.5 para ver como eles devem estar organizados.

Você vê a lacuna no meio da placa de teste na figura 1.7? Essa lacuna separa os dois grupos de colunas e não há nenhuma conexão passando por ela. Se você quiser que dois terminais na mesma linha estejam conectados, certifique-se de que eles estarão do mesmo lado em relação à lacuna.

4. Conecte o resistor de 470 Ω à coluna com o terminal positivo do LED e garanta que não é a mesma coluna em que já está o fotorresistor e o terminal negativo do LED. Certifique-se de que o outro terminal do resistor esteja em uma coluna separada.

5. Conecte o fio preto do clip da bateria à coluna que contém somente um terminal do fotorresistor.

Capítulo 1 ■ Sensores

21

Figura 1.7 – Layout da placa de teste (breadboard).

6. Insira o fio vermelho do clip da bateria na coluna que contém somente um terminal do resistor.

7. Confira novamente os passos e, se tudo estiver como o que está sendo mostrado na figura 1.5, conecte a bateria de 9 V. É isso. Você implementou seu primeiro circuito com sensor. Parabéns!

Discussão: fotorresistores Pode parecer que o circuito não está fazendo muita coisa. Isso ocorre porque os níveis de luz provavelmente não mudaram muito em sua sala.

Coloque o seu dedo sobre o fotorresistor e observe atentamente o LED. Parece ter havido alguma alteração no LED? Deverá ocorrer alguma mudança em seu brilho. Tente expor o fotorresistor a mais luz. O contrário ocorre, certo? Agora que você já viu o fotorresistor em ação, como você descreveria o que está ocorrendo quando o fotorresistor é exposto a mais luz no que diz respeito à sua resistência? A resistência está aumentando ou está diminuindo quando o sensor é exposto a mais luz?

Eis o que está acontecendo no circuito. Quanto mais luz incidir sobre o fotorresistor, menor será a resistência. Se a sala estiver bem iluminada, o LED ficará bem brilhante. Se houver pouca luz na sala, o sensor resistirá ao fluxo de corrente, o que é expresso pela luz do LED ficando mais fraca.

O fluxo de corrente pelo sensor controla a intensidade do brilho do LED. Isso ocorre porque o circuito está conectado de modo que toda a corrente para o LED deve passar inicialmente pelo fotorresistor.

22

Primeiros Passos com Sensores

O fotorresistor, como você acabou de aprender, é um sensor resistivo. Há vários tipos de sensores resistivos; essa classe de sensores resistivos é usada para medir muito mais do que a luminosidade. À medida que você continuar a leitura e conhecer novos sensores, será uma boa ideia pensar em como os estímulos são medidos e, especialmente, em como a saída é estruturada. Nenhum dos sensores irá gerar dados de saída que estejam em um formato conveniente para serem consumidos pelo usuário final. Será necessário decidir a maneira de expressar ou de formatar os dados de saída puros do sensor de modo que eles façam sentido para os usuários.

Outro tipo de sensor é o sensor eletromecânico. Esses sensores não manifestam alterações em voltagem ou corrente, porém sofrem alterações em suas propriedades físicas. O termostato em sua casa ou em seu apartamento é um ótimo exemplo (a menos que você tenha um termostato digital). Quando a temperatura de uma sala se altera, a bobina bimetálica de um termostato irá se expandir ou se contrair de acordo com o aumento ou a diminuição da temperatura da sala. O sensor, na realidade, estará se expressando fisicamente ao alterar o seu formato!

Porém até mesmo esses sensores podem acionar um sensor eletrônico (por exemplo, a bobina bimetálica de um termostato normalmente está conectada a um sensor de inclinação que liga ou desliga o aquecedor).

Controle interativo dos sensores O “Projeto 1: Fotorresistor para medição de luz” na página 19 utilizou um sensor de uma maneira que não envolveu diretamente uma interação com um ser humano. É claro que foi você quem alterou a intensidade da luz na sala para forçar o fotorresistor a alterar a sua resistência, porém poderia muito bem ter sido o sol nascendo ou se pondo. Existem vários sensores que serão diretamente manipulados; você os verá nos próximos capítulos.

Capítulo 1 ■ Sensores

23

Prosseguindo Em todos os projetos deste livro, você implementará pequenos sistemas que coletam dados de entrada por meio de medições efetuadas com um sensor. Os sistemas farão algo que processará esses dados de entrada e, em seguida, executarão uma ação (a saída do sistema). Inicialmente, iremos apenas criar algo usando componentes eletrônicos, porém, mais adiante neste livro, usaremos o Arduino e o Raspberry Pi para cuidar do processamento.

Ao usar o Arduino e o Raspberry Pi, criaremos códigos que executarão muitas tarefas para nós. A vantagem será bastante evidente, pois você perceberá que poderá alterar o modo de responder a uma entrada sem a necessidade de reconstruir o seu circuito.

Suponha que você queira desafiar o seu amigo para ver quem consegue pressionar um resistor para detecção de força com mais firmeza. Tudo o que você terá de fazer é adicionar algumas linhas extras de código ao sketch do Arduino e enviar o novo código. Como você faria o mesmo truque se não tivesse a opção de alterar o código? Certamente, seria mais desafiador e, no mínimo, seria necessário mover alguns itens de lugar na placa de teste. E como você apresentaria a pontuação referente ao resultado da competição? O fato é que o Arduino cuida de boa parte do trabalho para você!

No entanto essa não é toda a história no que diz respeito aos sensores.

Não queremos que você pense que, à medida que a complexidade física dos sistemas com sensores aumentar, seus programas se tornarão mais complicados. Em vez disso, queremos que você pense nisso como uma questão de aplicação: qual é o melhor design para atingir o seu objetivo?