TUTORIAL Aplicaes, Funcionamento e Utilizao de SensoresAutor: Lus Fernando Patsko Nvel: Intermedirio Criao: 14/12/2006 ltima verso: 18/12/2006

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1 IntroduoEm vrios projetos desenvolvidos ao longo do curso de Mecatrnica e Robtica, o uso de sensores muito interessante. Atravs de sensores, podemos fazer a leitura de determinadas caractersticas do ambiente, tais como a presena de um obstculo no caminho de um rob, a temperatura de um motor ou o fato de uma porta estar fechada ou no, e responder de acordo com elas, ou seja, criar um sistema capaz de interagir com o ambiente. Nesse tutorial, sero apresentados diversos tipos de sensores, desde modelos comuns at alguns mais elaborados, detalhando o seu funcionamento e explicando como podemos utiliz-los corretamente num circuito eletrnico ou no Kit. Tambm sero apresentadas algumas aplicaes a que eles so geralmente destinados e dadas sugestes de onde eles podem ser aplicados.

2 SensoresLiteralmente, podemos definir a palavra sensor como aquilo que sente. Na eletrnica, um sensor conhecido como qualquer componente ou circuito eletrnico que permita a anlise de uma determinada condio do ambiente, podendo ela ser algo simples como temperatura ou luminosidade; uma medida um pouco mais complexa como a rotao de um motor ou a distncia de um carro at algum obstculo prximo ou at mesmo eventos distantes do nosso cotidiano, como a deteco de partculas subatmicas e radiaes csmicas. Os sensores podem ser classificados como um tipo de transdutor. Um transdutor um componente que transforma um tipo de energia em outro. Um motor, por exemplo, um tipo de transdutor, pois converte energia qumica ou eltrica em energia mecnica. Um alto-falante tambm um transdutor, j que ele transforma energia eltrica em som. Porm, um sensor pode ser definido como um transdutor especfico, que transforma algum tipo de energia (luz, calor, movimento) em energia eltrica, utilizada para a leitura de alguma condio ou caracterstica do ambiente. O desenvolvimento de sensores e a sua aplicao trouxe como consequncia inmeras vantagens ou comodidades para a vida moderna. Desde a possibilidade de aumentar a eficincia no funcionamento de um motor ou de uma linha de produo, realizar uma pesquisa cientfica com maior preciso e em menor tempo, at o fato de poder estacionar o carro sem o perigo de bat-lo ou de ter a segurana de que qualquer tentativa de furto de sua casa poder ser frustrada, tais so as vantagens oferecidas pelo uso de sensores. Apesar de ser imensa a variedade de sensores eletrnicos, podemos dividi-los basicamente em dois tipos: sensores analgicos e sensores digitais. Essa diviso feita de acordo com a forma a qual o componente responde variao da condio. Os sensores analgicos so os dispositivos mais comuns. Tais sensores so assim designados pois baseiam-se em sinais analgicos. Sinais analgicos so aqueles que, mesmo limitados entre dois valores de tenso, podem assumir infinitos valores intermedirios. Isso significa que, pelo menos teoricamente, para cada nvel da condio medida, haver um nvel de tenso correspondente. Por exemplo, quando um LDR, um dispositivo cuja resistncia varia de acordo com a luminosidade, submetido a uma luz cada vez mais intensa, pode-se verificar que sua resistncia 1

diminuir gradativamente. Utilizando um circuito divisor de tenso, podemos fazer com que atravs dessa variao da resistncia, haja uma variao na tenso.

Figura 1: Um LDR um sensor analgico.

J os sensores digitais baseiam-se em nveis de tenso bem definidos. Tais nveis de tenso podem ser descritos como Alto (High) ou Baixo (Low), ou simplesmente 1 e 0. Ou seja, esses sensores utilizam lgica binria, que a base do funcionamento dos sistemas digitais. Ao contrrio de um sensor analgico, onde os valores possveis so teoricamente infinitos, um sensor digital poder apenas alternar entre certos estados bem definidos, no sendo possvel haver um valor intermedirio entre eles.

Figura 2: Comparao de um sinal analgico com um digital.

Um par ptico, constitudo por um emissor e receptor de infravermelho, um exemplo de um sensor digital simples, onde apenas dois estados so possveis. Se o feixe de infravermelho atinge o receptor, teremos um nvel de tenso baixo. Quando algo bloqueia o caminho do feixe, temos um nvel de tenso alto. No h um nvel de tenso intermedirio entre ambos.

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Figura 3: Um par ptico um sensor digital simples.

Existem, porm, sensores digitais mais complexos. Enquanto que um sensor digital simples apenas indica se est acionado ou no, os modelos mais complexos podem alternar entre vrias respostas distintos respondendo de forma mais elaborada, enviando valores binrios mais complexos. Eles comunicam-se com outros sistemas de forma mais complexa, podendo enviar informaes como temperatura ou acelerao, por exemplo.

3 Sensores AnalgicosComo j foi explicado anteriormente, os sensores analgicos so aqueles que respondem atravs de sinais analgicos, ou seja, sinais que, mesmo limitados em uma certa faixa, podem variar entre inmeros valores de tenso intermedirios.

Figura 4: Um exemplo de sinal analgico.

Num sensor analgico ideal, para a variao de uma determinada condio, haver uma variao na mesma proporo de alguma de suas propriedades, como tenso ou resistncia. Os 3

sensores reais porm, esto sujeitos influncias de diversos tipos e possuem certas limitaes ao seu funcionamento, no funcionando de forma to perfeita. Fatores como a temperatura e a umidade do ambiente podem gerar certos erros de medida e os materiais utilizados em sua construo limitam a sensibilidade e a faixa de operao do componente. Poderemos notar que grande parte dos sensores so analgicos, pois quase todos os parmetros que sero medidos tambm o so. A luminosidade de um ambiente, por exemplo, pode assumir infinitos valores entre a luz intensa e a escurido total. A velocidade de um objeto, mesmo estando limitada entre o 0 e a velocidade da luz, pode assumir qualquer valor intermedirio. A utilizao desses sensores num circuito analgico realizada sem problemas, porm, quando for necessrio monitor-lo atravs de algum circuito digital, como um microcontrolador ou um computador, esses sinal dever ser convertido num sinal digital equivalente. Isso porque o funcionamento desses sistemas baseia-se em sinais digitais, que podem ser gravados e processados muito mais facilmente do que os analgicos. Tal converso ser melhor detalhada ao descrevermos a conexo desses sensores ao Kit. Podemos classificar os sensores analgicos de acordo com o modo o qual respondem s variaes. Tal resposta dever ser na forma da variao de alguma propriedade eltrica, como resistncia, tenso, capacitncia, dentre outros. Os sensores resistivos so aqueles que em circuitos comportam-se como resistores, mas, devido a certas propriedades fsicas ou qumicas, variam o valor de sua resistncia de acordo com certas caractersticas, como luminosidade ou temperatura. Esses so os modelos mais comuns, dentre os quais podemos destacar o LDR, o termistor, o sensor de peso e o potencimetro. J os sensores piezoeltricos, como alguns tipos de microfone e o sensor de vibrao, respondem com uma variao na tenso. Esses sensores so feitos com materiais que, quando submetidos a certas presses ou vibraes, geram uma tenso. Existem tambm sensores capacitivos, onde a variao de determinada condio ocasiona uma variao na capacitncia do componente. Essa variao na capacitncia pode ocasionar a mudana da tenso ou da frequncia do sinal de sada do sensor. Dentre eles, podemos destacar o acelermetro e o sensor de umidade. Alm desses sensores, existem tambm alguns cujo funcionamento um pouco mais complexo, pois baseiam-se em outras propriedades e possuem circuitos internos especficos para gerar um sinal de sada adequado. Dentre eles, podemos citar o sensor de distncia e o sensor de temperatura LM60. Tais sensores utilizam circuitos integrados para realizar a leitura, mas sua resposta em forma de um sinal analgico. A partir de agora, detalharemos os sensores analgicos, mostrando o seu funcionamento, aplicaes e explicando como eles podem ser utilizados.

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LDR

Figura 5: LDR

O exemplo mais comum de sensor resistivo o LDR (Light Dependent Resistor Resistor Dependente de Luz), um componente onde uma variao na luminosidade que incide sobre ele resulta numa variao na sua resistncia. A aplicao mais conhecida do LDR , sem dvida, na iluminao pblica, onde ele utilizado para que, de acordo com a claridade do ambiente, sejam acionadas ou desligadas as lmpadas automaticamente, sem que haja a necessidade de algum para control-las. Os LDRs so tambm utilizados em cmeras para medir o nvel de luz do ambiente, permitindo assim o controle do tempo de exposio para a captura de uma boa imagem. Utilizaes menos usuais desses componentes foram em msseis que seguem o calor emanado pelos avies e em detectores de radiao infravermelha para pesquisas astronmicas. O LDR no tem pinagem, ou seja, podemos ligar seus terminais de qualquer forma. Ele representado em esquemas eletrnicos com o seguinte smbolo.

Figura 6: Smbolos do LDR utilizados em esquemas eletrnicos. esquerda a simbologia americana e direita a europia.

Os LDRs so compostos por sulfeto de cdmio (CdS), um material semicondutor, que disposto num traado onduloso na superfcie do componente. Esse material tem a propriedade de diminuir sua resistncia passagem da corrente eltrica quando a luminosidade sobre ele aumenta. Com o auxlio de um multmetro, podemos verificar facilmente como ocorre esse fato. Num ambiente escuro, sua resistncia ser alta, podendo chegar a valores altos, prximos ou at superiores a 1 M. Mas se aumentarmos gradativamente a intensidade da luz que incide sobre ele, podemos verificar que sua resistncia cair, podendo chegar a valores prximos de 1 k. Esses valores, no entanto, dependem de vrios fatores, como o componente utilizado, a quantidade de luz no ambiente e o prprio multmetro. Podemos verificar abaixo o grfico de resposta do LDR.

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Figura 7: Grfico da resposta do LDR.

Para fazer a medida da luminosidade do ambiente atravs do LDR, precisamos fazer com que a variao da resistncia do componente seja convertida numa variao de tenso. Essa tenso pode ser utilizada por um circuito externo ou ser monitorada atravs da entrada analgica do MEC1000 ou do KDR5000, por exemplo. O meio mais fcil de conect-lo atravs de um divisor de tenso.

Figura 8: Divisor de tenso.

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Um divisor de tenso composto por dois resistores ligados em srie. A tenso no ponto entre esses dois resistores depende das suas resistncias e da tenso de alimentao e pode ser calculada atravs de uma frmula simples. Vr = Vt R1 R1 + R2 Como o LDR um sensor resistivo, podemos substituir um dos resistores do divisor de tenso por este componente. No esquema acima, substituindo R2 por um LDR, temos um circuito cuja tenso aumenta de acordo com a luminosidade do ambiente. Podemos verificar isso na frmula acima. Quando a quantidade de luz que incide sobre o LDR cresce, sua resistncia cai, fazendo com que o valor de Vr aumente. No lugar de R1, recomendamos colocar um resistor cujo valor fique entre os valores mximo e mnimo do LDR. Podemos tambm troc-lo por outros valores, observando sua influncia no valor de sada do divisor de tenso.

Figura 9: Divisor de tenso com o LDR.

possvel tambm trocar a posio do LDR, colocando-o no lugar do R1. Nesse caso, teremos um circuito cujo funcionamento contrrio ao mostrado acima. O valor da tenso Vr aumentar quando a luminosidade do ambiente diminui. Na frmula do divisor de tenso, podemos notar que, quanto menor o valor de R1, menor ser o valor de Vr.

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Figura 10: Divisor de tenso com o LDR.

A tenso presente no ponto entre o LDR e o resistor pode servir de referncia para um outro circuito, como um Amplificador Operacional montado na configurao de comparador ou um oscilador 555. Tambm podemos monitor-la atravs do MEC1000 ou do KDR5000, ao conect-la a uma entrada analgica. Podemos criar um circuito de iluminao automtica, utilizando um LDR e um Amplificador Operacional comparador. Um AmpOp ligado dessa forma compara a tenso das duas entradas, positiva e negativa. Quando a tenso da entrada positiva for superior da entrada negativa, encontraremos na sada do AmpOp a tenso de alimentao do circuito. Se a tenso da entrada negativa for superior da entrada positiva, acontecer o contrrio, ou seja, na sada do AmpOp encontraremos uma tenso de 0 V. interessante notar que qualquer AmpOp pode ser utilizado com essa finalidade.

Figura 11: Utilizao de um AmpOp comparador.

Atravs de um divisor de tenso, ligaremos o LDR entrada negativa do AmpOp enquanto que a entrada positiva ser ligada a um potencimetro (ou trimpot), atravs do qual podemos 8

determinar a sensibilidade do circuito. Na sada do AmpOp, colocamos um LED, porm, possvel acionar um rel, ou at mesmo lig-lo a um circuito digital, desde que as tenses sejam compatveis. Quando a luminosidade sobre o LDR diminuir, sua resistncia aumenta e, deste modo, a tenso na entrada negativa do AmpOp tambm aumenta. Caso essa tenso seja maior do que a presente na entrada negativa, que definida atravs do potencimetro, a sada do AmpOp ser igual a tenso negativa da alimentao, que no circuito abaixo 0 V, o que acender o LED. O resistor a ser colocado em srie com o LED deve ser compatvel com a tenso de alimentao do circuito, pois devemos nos lembrar que o LED no suporta correntes muito altas. Utilize um resistor de valor que a corrente que passe por ele seja de apenas alguns miliampres.

Figura 12: LDR montado com um comparador. A sensibilidade do circuito definida pelo potencimetro.

Uma sugesto de montagem muito interessante utilizando LDRs de um rob que siga ou se afaste da luz. Montando trs LDRs no rob, sendo um na direo frontal e dois nas laterais, e exercitando um pouco os conhecimentos de eletrnica e programao, podemos fazer com que o rob verifique os nveis de luminosidade no ambiente e movimente-se de modo que o LDR central seja mais iluminado (no caso de um rob que siga a luz) ou menos iluminado (num rob que fuja da luz) do que os outros montados nas laterais.

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Termistor

Figura 13: Termistores diversos.

Outro modelo de sensor resistivo muito comum o termistor, um componente destinado a medir variaes de temperatura. Devido a importncia que esse fator exerce em inmeros processos, seja o funcionamento de mquinas, a realizao de experimentos ou a fabricao de diversos tipos de produtos, o seu monitoramento algo essencial. O uso de termistores tambm essencial em sistemas de ar condicionado. Modelos de alta qualidade so empregados em setores diversos como medicina (durante a realizao de diagnsticos e tratamentos), automotivo (para monitorar a temperatura do motor e dos sistemas de lubrificao) e at aeroespacial. Mas, antes de utiliz-lo, importante compreender alguns conceitos bsicos sobre o componente. Assim como o LDR, o termistor no possui uma pinagem especfica. O termistor, de acordo com a simbologia europia, representado da seguinte forma.

Figura 14: Smbolo do termistor utilizado em esquemas eletrnicos.

Existem dois tipos de termistores, NTC e PTC, assim classificados de acordo com sua resposta em funo da temperatura. Os termistores NTC (Negative Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Negativo) so os modelos mais comuns e so feitos de materiais semicondutores simples. Eles so assim denominados pois a resistncia desses componentes

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diminui quando a temperatura aumenta, ou seja, eles possuem um coeficiente de temperatura negativo. Os termistores PTC (Positive Temperature Coefficient Coeficiente de Temperatura Positivo) so mais difceis de serem encontrados, pois so constitudos de elementos mais complexos e, portanto, mais caros. Seu comportamento contrrio aos NTC, pois o aumento da temperatura faz com que sua resistncia tambm aumente. Os termistores PTC so mais comumente aplicados para proteger circuitos eletrnicos de excessos de correntes, substituindo os fusveis tradicionais. Numa situao normal, sua resistncia passagem da corrente eltrica pequena, e apenas uma pequena quantidade da energia eltrica transformada em calor. Porm, se a corrente subir muito, a quantidade de energia dissipada em forma de calor ser maior. Desse modo, a temperatura do componente aumenta e ento temos que sua resistncia passagem da corrente tambm aumenta. Esse efeito importante para evitar surtos de corrente, que geralmente ocorrem com motores eltricos. Ao ligar um motor, inicialmente ele consome uma corrente muito grande, para s depois se estabilizar.

Figura 15: Supresso de surtos com um termistor PTC.

Os grficos abaixo mostram como a resistncia dos termistores NTC e PTC varia de acordo com a temperatura. Os fabricantes disponibilizam vrios tipos de termistores, com diferentes curvas de resposta, temperaturas mximas e mnimas de operao e outras caractersticas, de modo que seu funcionamento seja adequado a determinadas aplicaes.

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Figura 16: Grfico de resposta dos termistores NTC e PTC.

Durante a utilizao do termistor, importante levar em considerao que ele apresenta uma faixa limite de operao. A temperatura adequada para a sua utilizao varia de acordo com o fabricante e, caso no seja possvel obter essa informao, recomendado no expor o componente a temperaturas acima de 100 C, que o limite de alguns componentes disponveis no mercado. Para fazer a medio da temperatura atravs do termistor, podemos lig-lo na forma de um divisor de tenso, pois ele um sensor resistivo. Desse modo, a tenso resultante nesse circuito ser correspondente temperatura do ambiente. Isso porque, como vimos acima, a resistncia do termistor est relacionada como a temperatura do ambiente ao seu redor. Substituindo R2 por um termistor NTC, que o modelo mais comum, verificamos que, com o aumento da temperatura, haver um aumento da tenso no ponto entre R1 e R2. Podemos comprovar na frmula do divisor de tenso que isso ocorre pois, quanto menor for o valor de R2, maior ser a tenso de sada. No lugar de R1, pode ser colocado um resistor de um valor qualquer, desde que no seja muito baixo, para que a corrente eltrica no divisor de tenso no seja alta. interessante colocarmos um resistor cujo valor o mesmo da resistncia do termistor medido a temperatura ambiente. Desse modo, nessa condio, a sada do divisor de tenso seja aproximadamente a metade da tenso de alimentao.

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Figura 17: Divisor de tenso com termistor.

Se o termistor for colocado no lugar de R1, o divisor de tenso se comportar de forma contrria. A tenso de sada ser aumentar quando a temperatura diminuir.

Figura 18: Divisor de tenso com termistor.

Esse o mtodo mais simples e eficaz de possibilitar a verificao da temperatura ambiente atravs de um termistor. A tenso presente no ponto entre o termistor e o resistor pode ser utilizada como referncia para um circuito externo ou monitorada por um MEC1000 ou KDR5000 atravs de uma entrada analgica. Aplicando seus conhecimentos em programao e eletrnica, possvel monitorar a temperatura do ambiente ou de uma determinada pea ou processo e realizar certas

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aes como exibi-la atravs de um display de 7 segmentos ou de cristal lquido, emitir um sinal de alerta ou at mesmo realizar as aes necessrias para control-la.

Sensor de Peso

Figura 19: Sensores de peso IESP-12 e SF4.

O sensor de peso outro sensor resistivo de fcil aplicao. Atravs desse componente, podemos medir o peso de algum objeto ou uma fora aplicada sobre ele. O monitoramento desses fatores extremamente importante em ambientes industriais, como em indstrias alimentcias, por exemplo. Monitorando a entrada de matria-prima e a sada do produto acabado, possvel evitar desperdcios e realizar certos processos de forma mais eficiente. Porm, podemos encontrar esses sensores sendo aplicados com outras finalidades. Modelos mais avanados desses sensores so destinados a criar sistemas de tato artificial para robs, possibilitando que eles tenham percepo de toque de superfcies e texturas. Os sensores de peso (que tambm so conhecidos como sensores de presso ou de fora) podem ser construdos de diversas formas, mas os modelos mais comuns e cuja utilizao mais simples so os resistivos. O princpio de seu funcionamento bem simples: quanto maior a fora exercida sobre ele, menor ser a resistncia entre seus terminais. Dentre os sensores de peso disponveis no mercado, utilizaremos como referncia para esse tutorial o IESP-12 e o SF-4, ambos produzidos pela CUI Inc. Apesar de serem fisicamente muito diferentes, eles possuem muitas caractersticas semelhantes, como tenso de alimentao, limites de operao e resposta em funo do peso, que podemos observar no grfico abaixo.

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Figura 20: Grfico de resposta dos sensores de peso IESP-12 e SF-4.

Como podemos observar, a resposta destes sensores no linear, ou seja, no proporcional fora que exercida sobre eles. A faixa de maior sensibilidade de ambos encontra-se entre 200g e 1000g e, acima deste peso, torna-se cada vez mais difcil obter um valor preciso, o que pode ser observado no grfico. Isso ocorre porque esses sensores so destinados apenas ao uso genrico. Para aplicaes que exigem mais preciso, devem ser utilizados sensores dedicados. Antes de utilizar esses sensores, devemos levar em conta que eles apresentam limites de operao. preciso tomar cuidado com a voltagem e a corrente conduzida. A alimentao pode ser feita com uma tenso entre 3 e 6V e a corrente no deve ser superior a 20mA. Tambm deve-se tomar cuidado com a fora exercida sobre eles. O peso mximo que o IESP-12 suporta de 4 Kg enquanto que o SF-4 suporta at 3 Kg. Mas recomendado que o peso no seja superior a 1,5 Kg, para que sua vida til seja maior. Alm disso, os sensores perdem muito de sua sensibilidade em valores altos, como j foi mencionado. Caso seja utilizado um sensor diferente, basta procurar suas especificaes, disponibilizadas no site do fabricante, para que se possa saber quais so seus limites de operao e a alimentao adequada. Outro cuidado muito importante que necessrio com esse tipo de sensor que no se deve manter um peso apoiado sobre eles durante um tempo muito longo, o que pode danific-los. Esses sensores geralmente so destinados ao uso intermitente, e uma fora exercida por um perodo muito longo pode causar impreciso nas leituras ou estrag-los permanentemente. Por isso, aps utiliz-lo, guarde-o de modo que no haja nenhum peso forando-o. Assim como qualquer sensor resistivo, podemos monitorar a resposta do sensor de peso atravs de um divisor de tenso. A utilizao do sensor de peso dever ser feita com mais cuidado, pois a corrente que flui por ele no poder ser maior que 20mA. Alimentando-o com uma tenso de 5V, vamos calcular o valor do resistor que ser colocado em srie com o sensor, de modo que a corrente mxima que passe pelo circuito (quando a resistncia do sensor de peso for muito baixa) seja de 5mA. 15

V=Ri 5 V = R 0,005 A R= 5V 0,005 A R = 1000 importante ter em mente que esse valor no obrigatrio. Caso no esteja disponvel, pode-se utilizar outro resistor, embora seja recomendado utilizar valores maiores, de modo que a corrente no danifique o componente. Tomando essas precaues quanto alimentao e utilizao do divisor de tenso, garantiremos que o sensor funcionar perfeitamente por um longo tempo. Como o sensor ser ligado na forma de um divisor de tenso, temos duas maneiras possveis para conect-lo. Se ele for colocado na posio de R2, verificaremos que, quanto maior o peso sobre o sensor, menor ser sua resistncia e, consequentemente, maior ser a tenso entre os dois componentes.

Figura 21: Divisor de tenso com sensor de peso.

Se o sensor de peso for colocado na posio de R1, acontecer o inverso, ou seja, quanto maior for o peso sobre o sensor, menor ser a tenso entre os dois componentes.

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Figura 22: Divisor de tenso com sensor de peso.

Tal como os outros modelos de sensores resistivos, o sensor de peso pode ser utilizado muito facilmente, seja em circuitos analgicos ou atravs do KDR5000 ou MEC1000. Esse sensor pode ser utilizado de modo a construir uma balana, lembrando-se de respeitar seus limites quanto capacidade mxima e de no mant-lo durante muito tempo embaixo de algum peso. Uma funo muito interessante para esse componente a de sensor de toque, que pode ser colocado num rob ou em algum sistema eletrnico. Para essa utilizao, devemos fazer com que haja uma sensibilidade muito grande variao do sinal do divisor de tenso, de modo que o sistema responda a uma pequena fora exercida sobre o sensor. Tambm pode ser utilizado para criar um boto que responda de diferentes modos fora exercida sobre ele, bastando para isso que hajam diferentes instrues de acordo com a resposta do sensor.

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Potencimetro

Figura 23: Potencimetros diversos.

Embora a finalidade principal do potencimetro seja de ajustar algum parmetro (o volume do aparelho de som, por exemplo), podemos facilmente utiliz-lo como um sensor de posio. Potencimetros com essa finalidade podem ser encontrados em robs e equipamentos industriais, onde so destinados a informar a angulao exata de um brao mecnico. Outra aplicao a que eles podem ser destinados a monitorar o funcionamento da suspenso de um carro de corrida onde, de acordo com as informaes recebidas de um potencimetro que acompanha o movimento dos amortecedores, um sistema de controle regula a dureza da suspenso de acordo com as condies da pista. Seu smbolo, de acordo com os padres americanos e europeus, o seguinte:

Figura 24: Smbolos do potencimetro utilizados em esquemas eletrnicos. esquerda a simbologia americana e direita a europia.

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O potencimetro pode ser utilizado em aplicaes que envolvam deslocamentos, movimentos e outros fenmenos puramente mecnicos. Ou seja, atravs desse componente possvel que a mudana de uma varivel mecnica, como um ngulo ou uma altura, seja transformada numa mudana de uma caracterstica eltrica. O potencimetro pode ser mais claramente definido como sendo um divisor de tenso varivel. Ele composto por uma faixa de material resistivo (geralmente grafite) ligada entre seus dois terminais externos. Nesse material, desliza um cursor, ligado diretamente ao terminal central do potencimetro. Esse cursor pode ser movimentado atravs de um eixo rotativo ou um pino de plstico ou metal. Quando alteramos a posio do cursor, alteramos a resistncia entre o terminal central e os dois terminais externos do potencimetro.

Figura 25: Interior do potencimetro, detalhando suas partes principais.

O valor da resistncia total do potencimetro (medida entre seus terminais externos) ser sempre constante. Ou seja, o potencimetro funciona como dois resistores em srie, onde podemos alterar simultaneamente os seus valores, desde que a soma das resistncias seja constante.

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Figura 26: Resistncia medida entre os terminais do potencimetro em diferentes posies do cursor.

O valor da resistncia total geralmente mostrada no prprio corpo do potencimetro. Caso ele no esteja presente, podemos verific-la com um multmetro, medindo a resistncia entre os dois terminais externos. Alm da resistncia total, podemos classificar os potencimetros de acordo com outros fatores. O principal o modo como podemos alterar a posio do cursor, ou seja, como podemos variar a resistncia entre o terminal central e os terminais externos. Podemos classific-los em angulares, lineares ou multivolta.

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Figura 27: Modelos de potencimetros. 1-Potecimetro angular. 2-Potencimetro multivolta. 3-Potencimetro linear.

Dentre todos, os potencimetros angulares so os mais comuns, e podemos encontr-los facilmente no nosso cotidiano, especialmente em aparelhos de som. Nesses potencimetros, o cursor est ligado a um eixo, de modo que ele acompanha o seu movimento. Podemos utilizar esses potencimetros como sensores de posio angular, indicando o deslocamento de uma engrenagem ou a inclinao de uma rampa, por exemplo. O seu giro (mais especificamente chamado de curso) restrito em 270. Os modelos multivolta so uma variao dos angulares, que possibilitam vrias voltas do incio ao fim do curso. Isso os torna muito prticos para aplicaes em robs e outros sistemas mecnicos, onde seja necessrio monitorar a movimentao de alguma estrutura. A desvantagem est na dificuldade de encontr-los no mercado. Os potencimetros lineares so comuns em aparelhos de mixagem e equalizadores de udio, pois proporcionam uma leitura mais fcil pelo operador. O cursor est ligado a um pequeno pino de plstico ou de metal e movimentado junto com ele. Uma aplicao dele como sensor de movimento linear, onde podemos verificar a compresso de uma mola. A classificao dos potencimetros tambm pode ser feita em relao a sua configurao interna. Os mais comuns so os potencimetros simples, que apresentam apenas uma faixa de material resistivo e um cursor e possuem 3 terminais. Para aplicaes onde necessrio controlar dois divisores de tenso simultaneamente, utiliza-se o potencimetro duplo (dual-gang em ingls). Ele apresenta duas faixas de material resistivo e dois cursores, alm de possuir 6 terminais. Ao mover o eixo ou pino do potencimetro, os dois cursores so deslocados simultaneamente. Ou seja, como se tivssemos dois potencimetros distintos, mas compartilhando o mesmo controle de posio do cursor. Os potencimetros duplos angulares possuem seus terminais divididos em dois grupos de trs, tornando-se fcil identificar cada um. Os trs terminais dianteiros correspondem a um potencimetro enquanto que os trs terminais traseiros so destinados ao outro. Nos modelos lineares a identificao tambm fcil. Nos dois lados do corpo do potencimetro h 3 terminais, sendo que o cada lado possui um potencimetro distinto.

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Figura 28: Potencimetros angulares duplos.

Para utilizar um potencimetro como um sensor de posio, necessrio ligar um dos terminais da extremidade com uma tenso positiva e o outro com uma tenso negativa. A tenso do terminal central variar entre esses dois valores de tenso. A tenso mxima de alimentao do potencimetro depende da potncia que ele capaz de dissipar (a energia perdida na forma de calor) e de sua resistncia. Um potencimetro comum capaz de dissipar uma potncia de 0,5W. Supondo que estamos utilizando um potencimetro de 1 k , vamos calcular a tenso mxima que podemos aliment-lo. A relao entre potncia, tenso e resistncia dada pela seguinte frmula: P = V / R V = (P R) V = (0,5 W 1000 ) V = 22,4 V Podemos alimentar esse potencimetro com uma tenso contnua de, no mximo, 22,4 Volts. Alm de estar atento tenso, lembre-se de nunca ligar o terminal central do potencimetro alimentao, sob o risco de causar um curto-circuito na fonte de alimentao. Alm disso, recomendamos que o terminal central no seja ligado diretamente ao circuito eletrnico que far a leitura da tenso. importante que ele passe antes por um Amplificador Operacional montado na configurao de ganho unitrio (tambm conhecida como seguidor de voltagem ou buffer). O potencimetro o componente onde esse procedimento mais necessrio. Isso porque, dependendo do circuito a ser conectado ao terminal central, podem ocorrer desequilbrios no divisor de tenso formado pelo potencimetro. Utilizando um buffer, o AmpOp pode fornecer uma corrente de at algumas dezenas de miliampres sem que o sinal de entrada seja afetado. A sada do AmpOp pode ser ento ligada a um outro circuito eletrnico.

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Figura 29: Potecimetro com Amplificador Operacional montado na configurao de ganho unitrio.

A leitura da posio do potencimetro atravs da Entrada Analgica pode ser feita de forma muito simples. No ser utilizado nenhum componente extra, pois ele prprio j um divisor de tenso e as entradas j so bufferizadas. Os terminais das extremidades devero ser alimentados com 5V e 0V, disponveis nos conectores de sensores, e o terminal central ser ligado obrigatoriamente Entrada Analgica.

Figura 30: Potencimetro ligado a uma Entrada Analgica do Kit.

Podemos utilizar potencimetros nas mais variadas aplicaes que envolvam deslocamento, seja ele linear ou angular. Atravs desse componente, possvel fazer o controle preciso da posio de um eixo ou um brao mecnico de um rob, colocando-o de modo que ele gire junto com a estrutura. A partir da tenso de sada do potencimetro, possvel saber a angulao do conjunto e, se necessrio, control-la. Outra aplicao interessante a medio do volume de um tanque. Para isso, utilizamos um potencimetro angular com uma bia presa ao seu eixo atravs de uma haste. Sendo assim, a resposta do potencimetro varia em funo da posio da bia dentro do tanque. Podemos ento, de acordo com o sinal do potencimetro, mostrar atravs de uma barra de LEDs se este se encontra vazio ou cheio, ou at mesmo mostrar o volume em litros numa tela de cristal lquido.

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Figura 31: Utilizando um potencimetro para monitorar o volume de um tanque.

Microfone

Figura 32: Microfones diversos.

O microfone um componente captador de som, destinado a converter as vibraes sonoras em sinais eltricos. Eles so empregados em inmeras aplicaes, desde aparelhos telefnicos e equipamentos de gravao a sensores de distncia baseados em ultra-som. 24

Existem diversos tipos de microfones disponveis, cujo funcionamento baseia-se nos mais variados princpios. Os microfones dinmicos so os mais simples de todos, apresentando um funcionamento semelhante ao dos alto-falantes (o som faz vibrar um diafragma que, por sua vez, induz uma corrente varivel numa bobina eletromagntica, enquanto que nos alto-falantes acontece exatamente o oposto). Muito comuns tambm so os capacitivos, que baseiam-se nos capacitores variveis. Dentre os microfones mais complexos, encontramos os parablicos (destinados espionagem) e at modelos baseados na refrao de raios laser numa lmina de vidro. O microfone mais adequado s nossas aplicaes, tambm estando presente no KDR5000, o microfone de eletreto. Este o modelo mais comum, podendo ser encontrado desde aparelhos telefnicos at em microfones destinados gravaes de alta qualidade. Dentre suas vantagens esto o preo acessvel e, principalmente, a sua fcil utilizao.

Figura 33: Microfones de eletreto.

Quase todos os microfones utilizam um diafragma, uma pelcula fina e flexvel, que vibra quando as ondas sonoras incidem sobre ela. O modo como essa vibrao convertida num sinal eltrico caracteriza o tipo de microfone. Nos microfones capacitivos e nos de eletreto, alm do diafragma, h uma pequena placa de metal. Juntas, essas duas peas compem um capacitor. A vibrao do diafragma faz com que a distncia entre ele e a placa de metal varie e, consequentemente, a capacitncia desse conjunto tambm varia. Como a carga armazenada pelo capacitor se mantm constante, temos que a voltagem entre o diafragma e a placa de metal tambm varia, de acordo com a frmula, onde Q a carga (em Coulombs), C a capacitncia (em Farad) e V a tenso (em Volts): Q=CV O sinal eltrico resultante da variao dessa voltagem reproduz fielmente a vibrao do diafragma, podendo ser ento amplificado e reproduzido atravs de um alto-falante. A diferena do microfone de eletreto para o capacitivo que o seu diafragma possui uma fina pelcula de eletreto, um material que quando eletrizado, mantm sua carga permanentemente. Isso permite que esses microfones operem com tenses extremamente baixas, no sendo necessrio aliment-lo com algumas dezenas de Volts, como no caso dos capacitivos. Alm disso, esse microfone possui internamente um FET (Field Effect Transistor Transistor de Efeito de Campo) cuja funo servir de buffer, eliminando problemas de impedncia e capacitncia que podem ocorrer durante a conexo deste componente com o destino final do sinal (que pode ser um amplificador, um gravador ou um microcontrolador). A fonte de tenso necessria para utilizar o microfone se destina a alimentar esse transistor.

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Figura 34: Interior do microfone de eletreto, detalhando suas partes principais.

Devido a sua construo, o microfone de eletreto possui uma pinagem especfica. No podemos ligar os seus terminais de qualquer modo, pois isso pode ocasionar em danos ao componente. importante que eles sejam conectados da maneira correta. Olhando a parte inferior do microfone, onde esto os seus dois terminais, podemos notar que eles so ligeiramente diferentes. Enquanto que um deles est totalmente isolado, o outro possui extenses direcionadas carcaa do microfone. Esse terminal que possui a extenso o terminal negativo do componente, e o que est isolado o terminal positivo.

Figura 35: O terminal do microfone que possui extenses sua carcaa o terminal negativo.

Para a utilizao de um microfone de eletreto, necessitamos de alguns componentes extras. Primeiro, devemos aliment-lo, devido ao transistor interno, o que pode ser feito com os conectores disponveis nas entradas de sensores. Entre o terminal positivo do microfone e a alimentao (que pode ser de 5V), devemos colocar um resistor, para limitar a corrente que alimentar o microfone. O terminal positivo do microfone o que ser ligado ao receptor do sinal. Como esse terminal tambm estar ligado alimentao, atravs do resistor, precisamos separar o sinal DC (que alimenta o circuito), do sinal AC (o sinal varivel que ser gerado pelo microfone). Para essa funo, podemos utilizar um capacitor. O capacitor um componente que bloqueia os sinais contnuos, mas deixa passar os sinais variveis. Quando utilizado nessa funo, ele chamado de

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capacitor de desacoplamento. Depois desse capacitor, temos ento um sinal varivel que reproduz fielmente as vibraes do diafragma causadas pelas ondas sonoras.

Figura 36: Esquema bsico para a ligao de um microfone de eletreto.

O sinal resultante desse circuito poder ento ser destinado a um amplificador, um transmissor de radiofrequncia ou qualquer outro circuito analgico. Mas para que seja monitorado por um outro circuito ou aplicado num conversor A/D, ele ainda no ideal. O primeiro passo ser adequar a tenso de repouso desse sinal. Depois, devemos amplific-lo. A tenso de repouso (Vrep), tambm chamada de nvel DC ou Offset, a tenso presente na sada do circuito quando o sensor estiver em repouso, ou seja, quando nenhum som captado pelo microfone. No momento em que as ondas sonoras fazem vibrar o diafragma do microfone, gerado ento um sinal varivel. Como o sinal alternado, a sua tenso varia acima e abaixo da tenso de repouso. No circuito acima, a tenso de repouso de 0V. Ou seja, quando o microfone captar algum som, haver um sinal analgico que varia at uma tenso de pico V, ou seja, de +V (valor mximo) a -V (valor mnimo).

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Figura 37: O sinal de sada do circuito corresponde ao som captado pelo microfone.

A maior parte dos conversores A/D no pode ler tenses negativas, como por exemplo, o conversor A/D presente no microcontrolador do KDR5000 e do MEC1000, que suporta tenses de 5 V a 0 V. Sendo assim, necessrio fazer com que a tenso de repouso seja maior, para que o valor mnimo do sinal analgico seja ligeiramente maior que 0 V. Desse modo, o sinal de sada do microfone estar enquadrado nos valores de leitura do conversor.

Figura 38: Devemos aumentar a tenso de repouso do circuito. Observe que o valor mnimo do sinal da direita um pouco maior que 0 V.

Com essa funo, podemos utilizar um divisor de tenso. Ao colocar um divisor de tenso na sada do circuito acima, quando o sensor estiver em repouso, a sada do circuito ser a tenso presente no divisor de tenso. Quando o microfone passar a captar algum som, a tenso de sada variar acima e abaixo dessa tenso. Como o sinal de sada do microfone baixo, com picos entre 10 e 20 mV, podemos ter um valor baixo como tenso de repouso. Vamos fazer com que a tenso de repouso seja de aproximadamente 40 mV (0,04 V).

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Figura 39: Utilizando um divisor de tenso para adequar a tenso de repouso.

O nvel de tenso de repouso do circuito dado pela mesma frmula utilizada para os divisores de tenso. Ao utilizarmos um divisor de tenso com os valores de resistores mostrados acima, considerando que o circuito foi alimentado com uma tenso de 5 V, teremos uma tenso de repouso de 37 mV (0,037 V), como podemos comprovar pela frmula abaixo. Vr = Vt R1 R1 + R2 Vrep = 5 V 750 100000 + 750 Vrep = 3750 100750 Vrep = 0,037 V Temos ento um sinal adequado sua utilizao em diversos circuitos. Quando o microfone estiver captando algum som, o sinal de sada variar entre, no mximo, 20 mV e 60 mV. Como esse sinal fraco, ele pode ento ser amplificado, se necessrio. A amplificao interessante, pois a amplitude do sinal original muito pequena, ou seja, a diferena entre os valores mnimo e mximo do sinal muito baixa. Desse modo, a diferena entre os sinais de um som fraco e um forte, captados pelo microfone, muito pequena. Amplificando o sinal, essa diferena ficar mais clara.

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Figura 40: Amplificao de um sinal fraco.

Existem diversos mtodos para realizar essa amplificao, mas o mais prtico atravs de um Amplificador Operacional (AmpOp). Nesse exemplo, utilizamos um circuito integrado LM324N, que semelhante ao modelo utilizado na Placa de Sensores do KDR 5000, mas existem vrios modelos disponveis que atendem a essa necessidade.

Figura 41: Circuito integrado LM324, sua pinagem e esquema da configurao de amplificador.

O sinal do microfone, depois de ser adequado atravs do divisor de tenso, ser aplicado na entrada positiva do AmpOp. Um resistor (R1) ser ligado entre a sada e a entrada negativa e outro resistor (R2), de valor menor, ligar a entrada negativa ao 0 V da alimentao. O ganho desse circuito ser determinado por esses resistores, atravs da seguinte frmula: 30

Vsada=Ventrada 1

R1 R2

O sinal proveniente do microfone tem um pico de tenso de aproximadamente 60 mV. Vamos amplific-lo com um ganho de aproximadamente 25 vezes, de modo que teremos como resultado um sinal de at 1,5 V. Utilizamos no lugar de R1 um resistor de 18 k e, no lugar de R2, um resistor de 750, o que proporcionar o ganho necessrio. Caso esses resistores no estejam disponveis, pode-se utilizar outros. Se necessrio, tambm possvel amplificar ainda mais o sinal. Agora sim temos um sinal que pode ser perfeitamente analisado atravs do MEC1000 ou do KDR5000 ou de algum outro circuito externo. Como o sinal todo foi amplificado, podemos observar que a tenso de repouso agora tambm mais alta, estando prxima de 1 V. Alm disso, quando o nvel sonoro for o mximo suportado pelo microfone, o sinal resultante variar entre um valor pouco acima de 0,5 V e um pouco abaixo de 1,5 V.

Figura 42: Sinal de sada do circuito utilizado com o microfone.

Finalizamos todos os procedimentos necessrios para a adequao do sinal do microfone. O esquemtico final do circuito necessrio para a utilizao do microfone mostrado a seguir.

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Figura 43: Circuito recomendado para a utilizao do microfone.

Durante a soldagem do microfone, como j foi mencionado anteriormente, necessrio estar atento quanto a sua pinagem. Alm disso, os terminais de alguns microfones de eletreto disponveis no mercado so apenas pequenas reas de metal, dificultando a soldagem do componente diretamente numa placa. Nesse caso, o microfone poder ser soldado atravs de fios, ou at mesmo com pernas improvisadas. Como as pernas de resistores e capacitores novos so grandes, podemos cort-las e sold-las nos terminais do microfone. Um exemplo de aplicao prtica do microfone num sistema de acionamento controlado por som. Podemos utilizar o microfone para monitorar o volume de som no ambiente e, quando houver um rudo (que pode ser uma palma ou uma fala mais alta) maior do que o definido como limite, algum circuito seja acionado. Podemos acionar vrias coisas, como uma lmpada (atravs de um rel), um alarme ou at mesmo um motor de um rob, por exemplo. Sensor de vibrao

Figura 44: Sensor de vibrao.

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O sensor de vibrao um componente destinado a captar uma vibrao e convert-la num sinal eltrico. Seu funcionamento muito semelhante ao de um microfone, mas enquanto que no microfone as vibraes so causadas por ondas sonoras, o sensor de vibrao destina-se vibrao de estruturas. A principal aplicao dos sensores de vibrao realizada em equipamentos industriais, verificando o funcionamento de motores, mquinas, centrfugas, ou seja, de qualquer equipamento que produza ou utilize algum tipo de movimento em seu funcionamento. O monitoramento do funcionamento de tais aparelhos atravs desses sensores permite identificar problemas e falhas antes que elas se tornem graves, possibilitando uma maior eficincia na linha de produo e evitando perdas financeiras expressivas. Os sensores de vibrao so geralmente construdos com materiais piezoeltricos. Esses materiais (cristais, como quartzo e fosfato de glio) possuem a capacidade de gerar uma tenso, quando submetidos a um esforo mecnico. Isso ocorre porque, quando o cristal est em repouso, todas as cargas eltricas positivas e negativas esto simetricamente distribudas, de modo que a carga total neutra. Quando uma fora exercida sobre o cristal, essa simetria desfeita e a distribuio irregular das cargas faz surgir uma tenso. Essa tenso gerada pode ser muito alta, atingindo valores de at alguns milhares de volts em casos extremos.

Figura 45: Funcionamento do sensor de vibrao.

Devido a essa capacidade de gerar uma tenso com a aplicao de um esforo mecnico, os materiais piezoeltricos podem ser utilizados em vrias reas. Alm de serem ideais para a elaborao de sensores de vibrao, podemos encontr-los em microfones piezoeltricos, captadores para guitarras e violes, receptores de ultra-som e at isqueiros. A fasca utilizada para iniciar a queima do gs do isqueiro produzida a partir da compresso de um cristal piezoeltrico. O processo inverso tambm pode ser realizado, ou seja, uma compresso do tamanho do cristal quando uma tenso aplicada nele. Esse princpio utilizado na construo do buzzer, que converte um sinal eltrico num sinal sonoro. Apesar de poderem gerar grandes tenses, esses materiais no so bons condutores de eletricidade. Por esse motivo, aplicado uma camada metlica em cada extremidade do cristal, de modo que seja possvel utiliz-lo adequadamente. A disposio desses elementos mostrada no smbolo desse componente.

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Figura 46: Smbolo do sensor de vibrao.

Para verificar a vibrao captada por esse sensor, necessitamos de alguns componentes extras. Alguns dos procedimentos realizados para a conexo do microfone tambm sero utilizados aqui, portanto, recomendado que ele seja lido previamente para melhor entendimento de alguns conceitos utilizados. Como o sensor de vibrao utilizado composto unicamente por um cristal piezoeltrico com dois eletrodos, sem nenhum componente eletrnico extra, no necessrio aliment-lo. Um dos terminais do sensor deve ser aterrado, ligado ao negativo da alimentao. O outro terminal ser a origem do sinal do sensor, que ser monitorado por um circuito externo, depois de ser previamente adequado. O primeiro passo ser desacoplar o sensor de vibrao, ou seja, isol-lo de qualquer sinal DC que possa ser originado nas etapas posteriores. Isso pode ser feito utilizando um capacitor, colocado no terminal de sada do sinal do sensor. O valor do capacitor a ser utilizado no crtico, sendo que nesse caso utilizamos um de 100nF.

Figura 47: Esquema bsico para a utilizao do sensor de vibrao.

Temos ento depois do capacitor um sinal que corresponde vibrao captada pelo sensor. Porm, esse sinal no pode ser monitorado diretamente atravs de alguns circuitos, como as entradas analgicas do MEC1000 ou do KDR5000. Assim como foi feito com o microfone, devemos adequar a tenso de repouso (Vrep), de modo que o valor mnimo do sinal varivel seja acima de 0V.

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Figura 48: Devemos aumentar a tenso de repouso do circuito. Observe que o valor mnimo do sinal da direita um pouco maior que 0 V.

Assim como foi feito com o microfone, ser utilizado um divisor de tenso, s que no sensor de vibrao ele ser elaborado de modo que a tenso de repouso seja de 900 mV (0,9 V). Isso pode ser feito utilizando o circuito abaixo.

Figura 49: Circuito com o divisor de tenso para adequar a tenso de repouso.

Atravs da frmula do divisor de tenso, podemos calcular a tenso do circuito quando o sensor no estiver captando nenhuma vibrao. De acordo com os resistores utilizados e com a tenso de alimentao do circuito acima, vamos calcular a tenso de repouso. Vr = Vt R1 R1 + R2 Vrep = 5 V 220000 1000000 + 220000 Vrep = 1100000 1220000 Vrep = 0,901 V Temos ento uma tenso de repouso adequada utilizao nos mais variados circuitos. Mas, ainda assim o circuito para a utilizao do sensor de vibrao no est completo. 35

Como mencionado anteriormente, os cristais piezoeltricos, presentes no sensor de vibrao, podem gerar tenses muito altas, se submetidos a esforos mecnicos muito intensos. Mas os circuitos em geral no suportam essas tenses, como as entradas analgicas do Kit, que suportam uma tenso mxima de 5 V. Sendo assim, devemos proteg-las contra tenses excessivas que podem ser geradas pelo sensor. Um dos mtodos mais eficazes para realizar isso utilizando um diodo Zener. Esses diodos so ligeiramente diferentes dos diodos comuns, pois so construdos de modo que possam conduzir a corrente nos dois sentidos: direto e reverso. No modo direto, ou seja, com uma tenso positiva no nodo e uma negativa no ctodo, ele conduz a corrente como um diodo comum. Nos dois tipos, essa conduo comea a ocorrer com tenses de aproximadamente 1 V, podendo variar de acordo com o modelo do diodo.

Figura 50: Diodos Zener e seu smbolo utilizado em esquemas eletrnicos.

Mas se o diodo Zener for polarizado inversamente, com uma tenso negativa no nodo e uma positiva no ctodo, ele tambm capaz de conduzir a corrente, ao contrrio dos diodos comuns. S que nesse caso, a conduo ser feita acima de uma tenso conhecida. Existem vrios modelos de diodos Zener, cada um com uma tenso de conduo reversa prpria, que pode variar de algumas unidades a algumas dezenas de Volts. Essa tenso geralmente est indicada no corpo do diodo Zener, mas alguns modelos apresentam apenas cdigos, o que exige a consulta de fichas tcnicas.

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Figura 51: Utilizao de um diodo Zener.

A identificao do ctodo e do nodo do diodo Zener feita como num diodo comum. Todo diodo possui uma pequena marca em seu corpo, prxima de um dos terminais, de cor diferente do resto do seu corpo, indicando que este terminal o ctodo.

Figura 52: Identificando os terminais do diodo.

Devido a capacidade de conduzir apenas acima de uma determinada tenso, diodos Zener so utilizados para regular ou limitar a tenso de um circuito eletrnico. Alm disso, os circuitos integrados reguladores de tenso 78xx e LM317 possuem diodos Zener em seu interior, de modo a oferecer uma tenso de referncia para o circuito. Para proteger a entrada analgica de qualquer tenso excessiva, utilizaremos ento um diodo zener que pode conduzir de modo reverso acima de uma tenso de 4,3 V. Para que o diodo exera essa proteo, ele dever ter seu ctodo ligado ao divisor de tenso, enquanto que o nodo dever ser aterrado, ou seja, ligado ao terminal negativo da alimentao. Quando houver um sinal cuja

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tenso mxima for superior 4,3 V, o diodo comear a conduzir, fazendo com que a tenso do sinal se estabilize em 4,3 V. Dizemos que o sinal foi cortado pelo diodo.

Figura 53: Proteo exercida pelo diodo Zener.

Aps todas essas etapas, o sinal do sensor de vibrao pode ser monitorado atravs de um circuito externo. O circuito necessrio para a utilizao do sensor de vibrao mostrado atravs do esquemtico a seguir.

Figura 54: Circuito recomendado para a utilizao de um sensor de vibrao.

Sendo assim, possvel utilizar um sensor de vibrao de forma simples e segura, sem o risco de danos a nenhum componente. O sensor pode ser posicionado em qualquer estrutura onde se deseja medir a vibrao e um circuito externo ou um programa pode ser criado para interagir com as respostas desse sensor.

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Sensor de distncia

Figura 55: Sensor de distncia.

Outro modelo de sensor muito aplicado em linhas de produo automatizadas o sensor de distncia. Dentre suas aplicaes nesses ambientes, destacam-se a medio das dimenses dos objetos, controle de posicionamento e verificao de danos e falhas dos produtos. Mas no apenas nos ambientes industriais eles esto presentes. Alguns automveis j disponibilizam sensores de distncia para auxiliar durante o estacionamento e at mesmo para controlar automaticamente a distncia ao carro da frente. Alm disso, esses sensores so amplamente utilizados em robs, que utilizam-nos para monitorar o ambiente onde se encontram e assim evitar choques e quedas. Existem vrios modelos de sensores de distncia disponveis no mercado, baseados em radar, ultra-som, laser ou infravermelho. Os sensores baseados em radar e ultra-som (sonar) emitem um pulso de rdio ou de som e calculam o tempo que leva para que ele seja refletido e retorne ao sensor. Como a velocidade do pulso emitido conhecida (300000 Km/s para o rdio e 1200 Km/h para o som, aproximadamente), possvel ento calcular a distncia ao objeto onde o pulso foi refletido. Contudo, tais modelos so caros e relativamente difceis de operar.

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Figura 56: Funcionamento do radar e do sonar.

J os sensores pticos, que utilizam raios laser ou infravermelho, tem seu funcionamento baseado no princpio da triangulao. Um feixe de luz emitido por um diodo laser ou um LED infravermelho. Ao ser refletido por um objeto, esse raio detectado por um PSD (Position Sensing Device Dispositivo de Monitoramento de Posio). De acordo com a distncia do objeto que refletiu a luz, esse raio incide de modo diferente no PSD.

Figura 57: Funcionamento do sensor de distncia.

O PSD composto por vrios componentes sensveis luz (fotodiodos). Um mdulo de processamento monitora a resposta do PSD, podendo identificar a posio exata em que o raio incidiu no componente. Como essa posio depende da distncia do objeto que refletiu o feixe de luz, o mdulo processa esses sinais de modo a produzir uma sada correspondente a essa distncia. 40

Figura 58: Funcionamento do PSD (Position Sensing Device).

O sensor de distncia ptico utilizado no Kit de Robtica o GP2Y0A21YK, fabricado pela Sharp, baseado na triangulao do infravermelho. Ele rene num nico componente todas as funes necessrias para um sensor de distncia, como emissor de infravermelho, PSD e mdulo de processamento. Quando alimentado corretamente, o mdulo de processamento do sensor gera um sinal de sada cuja tenso varia de acordo com a distncia do objeto. Observando o grfico abaixo, disponvel no manual do componente, podemos verificar o seu comportamento. Objetos numa distncia de 5 a 80 cm do sensor podem ser facilmente identificados. Quando a distncia entre o sensor e o objeto se manter estvel, a tenso de sada do sensor ser constante, correspondente distncia do objeto. Observe que quanto maior a distncia do objeto, menor ser a tenso no terminal de sada do sensor. Para distncias acima de 80 cm, o sensor j no responde bem, pois a variao da tenso torna-se cada vez menor. Para distncias menores que 5 cm, o sensor tambm no recomendado, pois o sinal de sada do sensor no corresponde distncia real do objeto.

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Figura 59: Grfico de resposta do sensor de distncia Sharp GP2Y0A21YK.

A utilizao desse sensor muito simples. Ele possui apenas trs terminais de conexo, que podem ser identificados atravs da figura abaixo. A alimentao deve ser feita ligando o terminal V+ alimentao de 5`V e o terminal GND deve ser ligado ao 0 V. importante que a tenso no seja superior ou inferior a 5 V, com o risco de queima ou no-funcionamento do componente. O terminal Vo a sada do sensor. A tenso dessa sada, que corresponde distncia de algum objeto frente do sensor, poder ser utilizada por um circuito externo ou at mesmo pelas entradas analgicas presentes no KDR5000 e no MEC1000.

Figura 60: Pinagem do sensor de distncia GP2Y0A21YK.

Para a perfeita utilizao desse componente, so necessrios alguns cuidados bsicos. recomendado evitar que o receptor do sensor de distncia seja exposto diretamente luz do sol ou 42

de uma lmpada incandescente, pois eles interferem no funcionamento do sensor. Alm disso, alguns objetos transparentes ao infravermelho ou muito refletivos (espelhos, superfcies lustrosas) tambm podem no ser identificados corretamente. Para a utilizao desse sensor, basta aliment-lo corretamente, levando em considerao sua pinagem e os valores recomendados de alimentao. recomendado que, para a utilizao em algum circuito eletrnico, o seu sinal de sada seja aplicado em um AmpOp com ganho unitrio, de modo que a corrente de sada do sensor seja baixa. No Kit, basta conect-lo a uma Entrada Analgica e aliment-lo com a tenso presente nesses conectores. Sendo assim, o sensor de distncia pode ser utilizado em qualquer aplicao, bastando apenas utilizar a sua criatividade.

Sensor de temperatura LM60

Figura 61: Sensor de temperatura LM60.

Alm do termistor, podemos monitorar a temperatura do ambiente atravs de circuitos integrados dedicados a esse propsito. Dentre as vantagens desses componentes est a facilidade na sua aplicao, pois ele concentra todos os componentes necessrios para a verificao da temperatura numa nica pea. O princpio de funcionamento desses circuitos muito semelhante ao do termistor, pois ambos baseiam-se no fato de que a comportamento dos materiais semicondutores depende da temperatura. Mas o fato de ser um nico circuito integrado, geralmente no necessitando de nenhum componente extra, facilita muito a utilizao. A principal classificao desses sensores feita de acordo com o sinal de sada deles. Os modelos mais simples so os analgicos. Assim como qualquer sensor analgico, eles possuem um sinal de sada cuja tenso corresponde temperatura do ambiente onde se encontra o sensor. Esse sinal analgico pode ser utilizado por um outro circuito analgico, como um AmpOp comparador, ou pode ser convertido num sinal digital para ser monitorado por um circuito digital, como um microcontrolador.

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Figura 62: Sada de um sensor analgico.

J os sensores de temperatura digitais respondem de maneira diferente. Os procedimentos de monitoramento da temperatura geralmente so semelhantes aos de um analgico. Ou seja, h a gerao de um sinal analgico, cuja tenso corresponde temperatura do ambiente. A diferena est no fato de que, no prprio circuito integrado, esse sinal analgico convertido num sinal digital.

Figura 63: Sada de um sensor digital.

O sinal resultante menos sujeito interferncias do que um sinal analgico, e pode ser lido mais facilmente por um circuito digital. O maior problema est no fato de que esse sinal no pode ser utilizado por um circuito analgico. Alm disso, a aplicao de um sensor de temperatura digital um pouco mais complicada do que a de um analgico. Um dos sensores de temperatura analgicos mais comuns o LM60, fabricado pela National Semiconductor. Apesar de estar num encapsulamento TO-92, comumente utilizado para transistores, esse componente um circuito integrado. Como seu sinal de sada analgico, ele pode ser facilmente empregado tanto em circuitos analgicos quanto em circuitos digitais que possuam conversores A/D. Podem ser medidos quaisquer valores de temperatura numa faixa que vai de 40C a 125C. Para utilizar adequadamente o LM60, necessrio estar atento sua pinagem. Uma conexo errada pode causar danos irreversveis ao componente. Felizmente, os seus terminais podem ser facilmente identificados, como podemos comprovar na imagem abaixo. A alimentao desse componente pode ser feita com uma tenso entre 3 e 9 V.

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Figura 64: Pinagem do LM60.

Uma das vantagens da aplicao de um sensor de temperatura na forma de circuito integrado est na sua resposta. Como podemos verificar no grfico abaixo, a resposta extremamente linear, o que facilita muito a sua utilizao. Esse sensor calibrado de modo que para um aumento de 1C, a tenso de sada do componente aumenta em 6,25 mV. De acordo com as especificaes do fabricante, a tenso presente na sada varia de um mximo de 1205mV (a 125C) a um mnimo de 174mV (a 40C), embora esses valores possam variar. A preciso mdia desse sensor de 3C, ou seja, quando a temperatura ambiente for de exatamente 25C, a resposta do sensor poder ser correspondente a um valor entre 22 e 28C.

Figura 65: Grfico de resposta do LM60.

A maior vantagem no uso do LM60 est no fato de que no necessrio nenhum outro componente externo. Podemos aplicar o seu sinal de sada diretamente num circuito sem precisar mont-lo na forma de um divisor de tenso, necessitando apenas de um AmpOp com ganho unitrio. A sua preciso e a linearidade tambm permitem que seja mais fcil monitorar a temperatura ambiente.

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Para monitorar o sensor de temperatura LM60 atravs do MEC1000 ou do KDR5000, necessrio conect-lo a uma entrada analgica. Podemos aliment-lo com a tenso de 5V presente nesses conectores, que suportada pelo integrado, tomando cuidado para lig-lo corretamente. O terminal de sada do LM60 pode ento ser ligado diretamente entrada analgica. Um procedimento que no obrigatrio, porm recomendado, amplificar o sinal de sada do sensor, para que possamos visualizar melhor a mudana do sinal de acordo com a temperatura. Podemos ver as vantagens desse procedimento ao comparar um sinal normal com um sinal amplificado. Para uma mesma variao da temperatura, a tenso do sinal amplificado variar mais do que o sinal normal. Isso permite leituras mais precisas e uma visualizao melhor num grfico, por exemplo. Podemos fazer isso utilizando um AmpOp (LM324N, por exemplo), numa configurao cujo ganho seja de aproximadamente 1,5. O sinal do LM60 deve ser aplicado diretamente na entrada positiva do AmpOp. Entre a entrada negativa e a sada, colocaremos um resistor de 1 k, e entre a entrada negativa e o 0 V da alimentao, colocaremos um resistor de 2,2 k. De acordo com a frmula do ganho do AmpOp, temos que o ganho ser de aproximadamente 1,5. O esquemtico abaixo ilustra o circuito necessrio para a conexo do sensor de temperatura LM60 uma entrada analgica atravs de um AmpOp.

Figura 66: Circuito recomendado para a utilizao do LM60.

As aplicaes a que esse sensor pode ser destinado so quase as mesmas do termistor, porm, devido ao fato de ser um circuito integrado destinado essa aplicao especfica, ele pode ser utilizado de forma mais fcil do que o termistor, pois seu sinal de sada j corresponde claramente temperatura detectada por ele, alm de, na maioria das aplicaes, no ser necessrio nenhum componente extra.

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Acelermetro

Figura 67: Acelermetros.

Acelermetros so dispositivos dedicados medir a acelerao sofrida por um corpo. So muitas as situaes em que os acelermetros so aplicados. A mais conhecida de todas , sem dvida, em automveis, mais especificamente em air-bags. Nesse caso, um acelermetro monitora constantemente a acelerao do veculo. Quando ocorre uma desacelerao muito grande, que caracteriza um acidente, ento acionado um circuito destinado a disparar o air-bag rapidamente e proteger os ocupantes do carro. Eles podem ser utilizados em vrias outras aplicaes, como por exemplo sismmetros para monitoramento de abalos ssmicos, estabilizao automtica da imagem em cmeras digitais, determinar a velocidade e a distncia percorrida por um atleta (atravs de acelermetros colocados em tnis). Recentemente, fabricantes de notebooks esto colocando acelermetros em HDs para proteg-los. Quando o acelermetro detecta que o aparelho est em queda livre, as cabeas de leitura do HD se afastam do disco rgido, evitando que todos os dados presentes nele sejam perdidos devido ao impacto. Alm disso, acelermetros tambm podem ser aplicados para medir inclinaes, que ser explicado mais adiante. Assim como o sensor de distncia e o sensor de temperatura LM60, os acelermetros so componentes complexos, integrando vrios componentes numa nica pea. Existem diversos mtodos para a construo de um acelermetro. Um tipo de acelermetro utiliza os mesmos materiais piezoeltricos que podem ser utilizados nos sensores de vibrao. Eles contm alguns cristais microscpicos que so comprimidos por foras de acelerao, o que gera uma certa voltagem. Outro mtodo muito comum para a construo de acelermetros monitorar variaes de capacitncia, princpio semelhante ao funcionamento de alguns tipos de microfone. Nesses modelos, so colocadas trs placas, formando dois capacitores, sendo que uma dessas placas mvel. Conforme a acelerao, a distncia entre as placas varia, o que altera a capacitncia do conjunto. Um pequeno mdulo de processamento monitora constantemente esses capacitores, de modo a extrair a acelerao atravs da diferena entre esses capacitores.

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Figura 68: Funcionamento dos acelermetros capacitivos.

Tais acelermetros foram desenvolvidos recentemente, utilizando a tecnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems Sistemas Micro-Eletro-Mecnicos), que possibilita montar estruturas mecnicas e eletrnicas em escalas muito pequenas, possibilitando a integrao dessas estruturas a circuitos integrados e a construo de componentes pequenos, baratos, de alto desempenho e baixo custo.

Figura 69: Interior do acelermetro: acima encontra-se a estrutura MEMS que identifica aceleraes e no centro o mdulo de processamento.

Os acelermetros tambm podem ser classificados de acordo com a forma do sinal de sada. Nos acelermetros analgicos, a sada um valor de tenso proporcional acelerao sofrida pelo componente. Caso a acelerao se mantenha constante, a tenso na sada do acelermetro tambm estar constante. J os acelermetros digitais j fazem internamente a converso desse sinal analgico para um sinal digital, ou seja, enviam um sinal digital de acordo com a acelerao sofrida

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pelo componente. Devido maior disponibilidade e maior facilidade de se trabalhar com modelos analgicos, eles sero utilizados como referncia para explicar a utilizao de um acelermetro.

Figura 70: Respostas de acelermetros analgicos e digitais.

Para a melhor utilizao de um acelermetro, devemos ainda ter conhecimento sobre alguns conceitos, que sero teis para definir qual o melhor componente para determinada aplicao. Os acelermetros disponveis no mercado podem medir aceleraes em um (apenas X ou Z), dois (XY ou XZ) ou trs eixos (XYZ). Para a maioria das aplicaes, dois eixos j so suficientes, porm, quando for necessrio monitorar aceleraes em trs dimenses, um modelo de trs eixos dever ser utilizado. Cada eixo possui uma sada prpria, atravs da qual possvel monitorar a acelerao sofrida pelo componente nesse determinado eixo. Para identificar corretamente tais eixos, basta procurar as especificaes do componente, disponveis na Internet, onde podemos encontrar todas as informaes necessrias.

Figura 71: Eixos nos quais um acelermetro capaz de medir aceleraes.

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Outro fator que deve ser levado em considerao o valor mximo de acelerao que ser medido. Os acelermetros possuem um valor limite, acima do qual ele pode ser danificado. Como os modelos que suportam maiores aceleraes so mais caros, importante escolher o modelo ideal. Tais valores limite so estabelecidos tendo como referncia a gravidade da Terra (g = 9,8 m/s). Para aplicaes comuns, como no exemplo do acelermetro montado no HD do computador, um valor limite de 2g j suficiente. Quando for necessrio aplicar o componente em situaes que exigem paradas sbitas, recomendado que se utilize um modelo capaz de suportar aceleraes acima de 5g. Apenas para ter uma idia, acelermetros destinados a acionar air-bags de automveis tem um valor limite de aproximadamente 200g. A sensibilidade do acelermetro indica o quanto o sinal de sada varia de acordo com a acelerao. Quanto mais sensvel, melhor, pois variaes maiores do sinal podem ser lidas mais facilmente, dando maior preciso medida. Outro conceito utilizado em acelermetros a largura de banda. Ela indica a frequncia a qual o componente medir a acelerao e atualizar o sinal de sada. Para a maioria das aplicaes, 10 leituras por segundo (10 Hz) j suficiente. Porm algumas aplicaes exigem acelermetros que respondam muito rapidamente, com larguras de banda da ordem de centenas de Hz. Em alguns sensores, essa frequncia de leitura pode ser modificada, de acordo com o valor do capacitor colocado na sada do sensor. Alguns cuidados so extremamente necessrios ao utilizar esses componentes. O mais importante nunca deixar o componente cair numa superfcie dura. Caso ele sofra diretamente o impacto da queda, possvel que seja danificado. Outro cuidado muito importante com a eletricidade esttica que pode ser acumulada no nosso corpo. Muitos componentes so sensveis s descargas eletrostticas que podem ocorrer entre o corpo e o componente, ao peg-lo. A forma mais simples de precauo nunca tocar nos seus terminais. Para a utilizao adequada de um acelermetro, muito importante saber a posio dos seus eixos, de modo a poder orientar o componente para medir a acelerao no eixo correto. Nas especificaes do componente (datasheet), que pode ser encontrado no site do fabricante, alm de informaes teis como caractersticas eltricas e pinagem, possvel encontrar a posio dos eixos X, Y e Z em relao ao corpo do componente. J foi explicado que, num acelermetro analgico, o nvel de tenso equivale acelerao sofrida pelo componente. Caso o componente no esteja sofrendo nenhuma acelerao em determinado eixo, o nvel de sada ficar constante num valor que, geralmente, a metade da tenso de alimentao do acelermetro. Ao sofrer uma acelerao no sentido positivo do eixo, podemos verificar que a tenso de sada aumenta, at um valor prximo da alimentao do componente. Se ele sofrer uma acelerao no sentido negativo do eixo, ento a tenso da sada diminuir at um valor prximo de 0. Mas se a acelerao for perpendicular ao eixo, ela no ser detectada.

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Figura 72: Respostas do acelermetro de acordo com a acelerao sofrida. Quando ele est parado, a sada do eixo X mantm-se na tenso de repouso. Ao sofrer uma acelerao no sentido positivo do eixo, a tenso sobe. Ao sofrer uma acelerao no sentido negativo, a tenso cai. Quando a acelerao ocorre perpendicular ao eixo, ela no detectada.

interessante notar que o acelermetro no fica sujeito apenas a aceleraes dinmicas (como a de um carro, por exemplo), mas tambm a aceleraes estticas (a da gravidade da Terra). Caso voc posicione o acelermetro de modo a algum eixo ficar no sentido da acelerao gravitacional, o sinal de sada desse eixo ser correspondente a uma acelerao de 1g, mesmo que o componente esteja absolutamente imvel.

Figura 73: Medindo a acelerao gravitacional com um acelermetro. Neste caso a tenso de sada do eixo ser correspondente a uma acelerao de 9,8 m/s.

Como j foi descrito anteriormente, uma das aplicaes dos acelermetros medir inclinaes. Mas como isso pode ser feito? Atravs do princpio demonstrado acima e de um pouco 51

de trigonometria, podemos faz-lo facilmente. Vamos imaginar a seguinte situao: estamos monitorando apenas o eixo Z de um acelermetro. Quando ele se encontra paralelo ao cho, o sinal de sada indica uma acelerao de 1g, que a acelerao gravitacional da Terra. Se o posicionarmos perpendicular ao cho, o sinal de sada desse eixo Z indicar que ele no sofre nenhuma acelerao. E se ele for posicionado num ngulo de, digamos, 45 graus?

Figura 74: Eixo Z do acelermetro em diferentes inclinaes.

Atravs da trigonometria, podemos chegar na equao abaixo. Podemos dividir a acelerao em duas componentes, uma no eixo Z (que estamos monitorando) e uma no eixo X ou Y (de acordo com o posicionamento do acelermetro). A acelerao sofrida pelo eixo Z igual acelerao da gravidade vezes o cosseno do ngulo (que o ngulo formado entre o eixo Z e a acelerao gravitacional).

Figura 75: Determinando a acelerao gravitacional sofrida pelo eixo Z.

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Analogamente, temos que a tenso de sada correspondente ao eixo Z (Vsada) igual tenso de sada correspondente acelerao de 1g vezes o cosseno do ngulo . Como o valor das duas tenses podem ser facilmente conhecidas, podemos encontrar o valor do cosseno e, por sua vez, do prprio ngulo . Vsada = Vgrav cos Podemos comprovar facilmente essas equaes. Voltando primeira situao apresentada, quando o acelermetro est paralelo ao cho, o ngulo formado entre eixo Z e a acelerao gravitacional 0. Como o cosseno de um ngulo de 0 igual a 1, temos que a acelerao medida nesse eixo igual a 1g. No caso em que o acelermetro se encontra perpendicular ao cho, o ngulo formado entre o eixo Z e a acelerao gravitacional de 90. O cosseno de um ngulo de 90 0, ento temos que no h nenhuma acelerao orientada nesse eixo. Acelermetros com essa funo so utilizados em vrias funes, como alarmes de carro, controles de videogames e sistemas de controle de estabilidade de automveis. Podemos ento utilizar um acelermetro em alguma superfcie ou objeto e medir sua inclinao. Pode ser feita a leitura da sada do acelermetro atravs do Kit e implementar um programa que mostre a inclinao de uma superfcie ou objeto onde se encontra um acelermetro, e a partir dessas informaes, realizar certas aes. Caso o acelermetro utilizado no mea aceleraes no eixo Z, basta utilizar outro eixo. Utilizamos o eixo Z nesse tutorial apenas para exemplificar o uso do acelermetro para medir inclinaes. Para monitorar o acelermetro atravs de um circuito externo, devemos monitorar a sada de cada eixo separadamente. Portanto, se o acelermetro utilizado possuir 3 eixos, necessrio monitorar suas 3 sadas atravs de entradas distintas. Ao lig-lo no Kit, por exemplo, ser necessrio utilizar 3 Entradas Analgicas de sensores. Quando utiliz-lo com um outro circuito, lembre-se de utilizar um AmpOp na configurao de ganho unitrio, para evitar qualquer problema relacionado s impedncias do acelermetro e do circuito utilizado. Podemos alimentar o acelermetro atravs de uma fonte externa ou, caso o sensor seja conectado ao Kit e suporte uma tenso de 5 V, pelas sadas de alimentao disponveis nos conectores de sensores genricos. Sensor de presso atmosfrica

Figura 76: Sensores de presso atmosfrica.

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A presso atmosfrica basicamente a fora exercida pelo ar sobre alguma superfcie. Monitorando as variaes na presso atmosfrica, os sistemas de meteorologia podem fazer previses de tempo. Quando a presso de uma determinada regio cai, h uma grande probabilidade de que ocorram chuvas e tempestades ou, em casos extremos, furaces ou tornados. Ao contrrio, quando a presso mantm-se num nvel alto, muito provavelmente o clima estar seco e limpo. Dentre outros fatores, como o clima e a temperatura do ar, a presso atmosfrica varia de acordo com a altitude. Em regies baixas, prximas do nvel do mar, a atmosfera densa, ou seja, com uma grande concentrao de molculas, o que faz com que a presso seja mais alta. Quanto maior a altitude, mais rarefeita ser a atmosfera, ou seja, as molculas encontram-se mais afastadas umas das outras. Isso faz com que nesses locais a presso seja menor do que no nvel do mar. Outra aplicao mais especfica desses sensores medir a presso do ar nos pneus dos automveis. Alm de tal informao ser muito valiosa para modelos de corrida, ela til tambm para motoristas comuns, pois pneus vazios geram maior atrito com o asfalto e, consequentemente, aumentam o consumo de combustvel. Podemos tambm encontr-los em indstrias, pois a presso dentro de tubulaes, caldeiras e mquinas algo que deve ser monitorado constantemente, auxiliando a encontrar falhas e prevenir problemas graves. Atravs de um instrumento capaz de medir a presso que o ar exerce sobre ele, podemos construir, observando esses conceitos, um equipamento que seja capaz de fazer previses climticas (com certas limitaes, claro, pois no a presso apenas um dos componentes que influenciam no clima) ou de monitorar variaes de altitude. Os sensores de presso atmosfrica podem ser classificados em trs tipos, de acordo com a referncia utilizada para a leitura: gauge, absoluto ou diferencial. Os sensores de presso gauge medem a presso do ambiente em relao presso atmosfrica local. J os sensores de presso absoluta medem a presso em relao ao zero (vcuo total). Podemos fazer uma analogia sobre o funcionamento desses sensores: imagine-se num carro a exatos 100 km/h, medindo a velocidade dos outros veculos em relao ao seu. Agora, imagine-se novamente medindo a velocidade dos veculos, porm desta vez parado na beira dessa estrada. Nesse caso, a velocidade ser medida tendo como referncia o 0 km/h, pois voc estar parado. Podemos comparar o primeiro fato com o funcionamento do sensor gauge, enquanto que o segundo seria o sensor de presso absoluta.

Figura 77: Enquanto o sensor de presso absoluta mede em relao ao zero, o sensor gauge compara com a presso atmosfrica local.

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Alm desses dois tipos, encontramos os sensores diferenciais, que podem ser utilizados para comparar duas presses. Para isso, ele possui duas entradas de ar, e o nvel de tenso da sada indica a diferena entre as presses.

Figura 78: Sensor de presso diferencial.

Os sensores de presso so, dentre outros mtodos, geralmente construdos com materiais piezoresistivos. Esses materiais possuem a capacidade de variar sua resistncia quando submetidos a um esforo mecnico. Esse efeito mais comum em materiais semicondutores, como o silcio ou germnio (que so amplamente utilizados na eletrnica na construo de diodos, transistores e circuitos integrados). importante notar que o efeito piezoresistivo distinto do efeito piezoeltrico. Enquanto que os materiais piezoeltricos (utilizados em alguns modelos de sensores de vibrao e microfones) geram uma tenso quando pressionados ou deformados, os piezoresistivos sofrem uma mudana na sua resistncia.

Figura 79: Funcionamento do sensor de presso.

O seu princpio de funcionamento o seguinte: so construdas duas cmaras e entre elas colocada uma pelcula de material piezoresistivo. O modo como essas cmaras so construdas que define qual o tipo do sensor. Num sensor de presso absoluta, uma dessas cmeras fechada e outra aberta, destinada presso a ser medida. A cmara fechada contm vcuo, ou seja, a presso

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a ser monitorada medida em relao presso zero. Esse sensor ideal para medir presses baixas, menores do que a atmosfrica. Num sensor gauge, as duas cmaras so abertas, sendo que uma destinada a presso a ser medida, enquanto que outra destinada a entrada de ar atmosfrico. Desse modo, a presso medida em relao presso atmosfrica local. Caso a presso externa for igual utilizada como referncia para o sensor, a fora resultante sobre o material piezoresistivo ser nula. Se uma das presses for maior do que a outra, temos que a pelcula ser submetida a um esforo e sua resistncia ir mudar. O sensor de presso diferencial tambm possui as duas cmaras abertas, porm elas so destinadas s presses que sero comparadas pelo sensor. Nos modelos piezoresistivos, essa estrutura destinada a medir a presso construda utilizando a tecnologia MEMS (a mesma utilizada em acelermetros), que possibilita a sua montagem em dimenses extremamente reduzidas, possibilitando a integrao de todos os componentes numa nica pea. Ao utilizar esses sensores, devemos tomar alguns cuidados, para no comprometer a durabilidade do componente. Lembre-se sempre de que esses componentes so sensveis e no podem ser submetidos a condies e ambientes que possam prejudicar seu funcionamento. A dica mais importante nunca pressionar a regio de sensibilidade do componente. Esses sensores so destinados exclusivamente a medir a presso do ar ou de algum gs e no devem ser pressionados. Alguns sensores tambm podem ser sensveis a ambientes muito midos, pois como o sensor aberto ao ambiente externo, a umidade pode danific-lo. Tambm muito importante evitar que algum lquido, sujeira ou poeira possa entrar nas aberturas do sensor e causar algum malfuncionamento. Alm disso, tais sensores possuem uma faixa de operao, na qual respondem adequadamente s variaes da presso. Porm, se a presso estiver acima ou abaixo desses valores limites, eles j no respondero. E se a presso for muito acima do limite, eles podem ser danificados. Tais valores variam de acordo com o modelo utilizado, portanto, informe-se das especificaes desses componentes antes de utiliz-los. Verifique tambm a pinagem do sensor utilizado e a alimentao necessria para o seu funcionamento. Para que possamos conect-lo a algum circuito externo, recomendado a utilizao de um AmpOp com ganho unitrio, de modo que a corrente de sada do sensor seja muito pequena, no havendo riscos de danos. Para a conexo do sensor ao Kit, possvel ligar sua sada diretamente entrada analgica. importante verificando bem sua pinagem antes de lig-lo. Caso o sensor utilizado suporte uma tenso de alimentao de 5V, esta pode ser providenciada atravs dos conectores de entradas analgicas. J vimos que um dos fatores que determinam a presso atmosfrica a altitude. Como esses sensores so sensveis, capazes de detectar pequenas variaes de presso, uma aplicao muito interessante a qual elee podem ser destinados medir altitudes. Dependendo da aplicao, podemos desconsiderar a influncia do clima (temperatura, luminosidade) sobre a presso e levar em considerao apenas que o fato de que a presso varia em funo da altitude. Um exemplo de onde podemos aplic-los em aeromodelos de controle remoto e foguetes amadores, dentre outras possibilidades. De acordo com o modelo do sensor utilizado, possvel detectar variaes de menos de 1 metro. A presso um dos fatores mais importantes para a previso meteorolgica, e atravs do seu monitoramento, o que geralmente feito atravs de um equipamento chamado barmetro, possvel fazer uma previso do clima. Isso porque uma presso atmosfrica alta indica que o clima estar bom, enquanto que uma presso baixa indica uma alta probabilidade de chuvas ou 56

tempestades. Deste modo, com um sensor de presso atmosfrica, possvel criar um barmetro eletrnico e fazer uma previso do tempo confivel. Para que haja uma maior preciso na medida do sensor, recomendado que ele esteja fixo numa determinada posio, para que variaes de altitude no influam na leitura.

Sensor de campo magntico

Figura 80: Sensores de campo magntico. O modelo da direita destinado a ser encaixado em cabos e medir correntes eltricas a partir do campo magntico produzido por elas.

Outro modelo de sensor que pode ser encontrado o sensor de campo magntico. Ele pode ser destinado a medir campos magnticos (que pode ser o terrestre ou o gerado atravs de um im, por exemplo) ou uma variao nesse campo causada por um material ferromagntico. Esses sensores podem ser aplicados em vrias situaes. Uma das mais importantes aplicaes em avies onde, atravs da medida do campo magntico terrestre, possvel monitorar a direo e a inclinao do aparelho (junto com acelermetros) e estabiliz-lo automaticamente, se necessrio. Tambm possvel utiliz-lo para medir a rotao de um motor, com um im colocado no eixo deste, fazendo a leitura da variao do campo magntico exercido pelo im; ou como sensor de posio, onde a presena ou no de um im, posicionado em alguma pea ou estrutura, usado como um parmetro um circuito externo. Como no necessrio nenhum contato com o ambiente, como feito com sensores pticos e chaves, esses sensores se caracterizam por sua extrema durabilidade, pois estando adequadamente selados, so imunes a gua, p e contaminantes.

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Figura 81: Utilizando um sensor de campo magntico e um im para medir rotaes.

Dentre outras aplicaes deste sensor, podemos citar a medio de correntes eltricas. Um fio que conduz uma corrente eltrica gera um campo magntico ao seu redor. Medindo esse campo atravs de um sensor de campo magntico, possvel, atravs das frmulas que os relacionam, descobrir a corrente conduzida pelo fio. Esse o mtodo mais seguro para a medio de corrente, pois no h nenhum contato entre o fio condutor e o equipamento de medio, impossibilitando que um circuito interfira no funcionamento do outro e evitando que haja riscos vida do usurio do equipamento. Alm dessas aplicaes, a mais comum de todas , sem dvida, a utilizao como bssola digital. Medindo a direo do campo magntico terrestre, possvel utiliz-lo para indicar a direo do plo Norte Magntico terrestre. Existem dois tipos principais de sensores de campo magntico: os magneto-resistivos e os que baseiam-se no efeito Hall. Tais sensores consistem basicamente de elementos magneto-resistivos, ou seja, componentes cuja resistncia muda de acordo com o campo magntico que incide sobre eles. Tal fenmeno ocorre em alguns materiais ferrosos, e para a aplicao em sensores utilizada uma liga de Ferro e Nquel. Tais componentes so montados numa configurao chamada ponte de Wheatstone, composta por quatro resistores, formando dois divisores de tenso em paralelo. aplicada uma tenso alimentando esse circuito e mede-se a diferena da tenso entre os dois divisores de tenso.

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Figura 82: Ponte de Wheatstone.

Quando no h nenhum campo magntico incidindo sobre o circuito, a tenso zero, pois todos os elementos magneto-resistivos apresentam a mesma resistncia. Ou seja, dizemos que a ponte est balanceada. Porm, ao aplicarmos um campo magntico perpendicular a esse circuito, a resistncia desses materiais varia e a ponte ficar desbalanceada, surgindo uma tenso entre os dois pontos centrais dos divisores de tenso. Essa diferena poder ser negativa ou positiva, dependendo do sentido do campo magntico.

Figura 83: A ponte de Wheatstone feita com magneto-resistores desbalanceada quando um campo magntico incide sobre ela.

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Assim como um acelermetro, esse sensor mede o campo magntico em determinados eixos, sendo que para cada eixo h uma ponte de Wheatstone composta por elementos magnetoresistivos. Esses so basicamente os nicos elementos do sensor, exceto alguns componentes utilizados para uma possvel regulagem do sensor. Existem tambm os sensores cujo funcionamento baseado no efeito Hall, presente em alguns materiais condutores e semicondutores. Esse efeito, descoberto no sculo XIX, baseia-se no princpio de interao entre campos magnticos e cargas eltricas. Podemos compreend-lo observando as figuras abaixo. Quando uma corrente passa por um material condutor, ela distribui-se uniformemente ao longo do material e no h nenhuma diferena de potencial (tenso) entre as laterais do material. Porm, ao aproximarmos um im, o campo magntico perturbar a distribuio da corrente ao longo do material. Haver um acmulo de cargas negativas (eltrons) em um dos lados do condutor, o que gerar uma tenso entre suas laterais. Se invertermos o sentido do campo magntico, a tenso presente no material tambm ser invertida.

Figura 84: Ilustrao do efeito Hall. 1-Como a corrente distribui-se uniformemente pelo condutor, a tenso entre as laterais do condutor zero. 2-Quando um campo magntico passa pelo condutor, a corrente passa a distrubuir-se de modo irregular, surgindo uma tenso entre as laterais do condutor. 3-Invertendo o sentido do campo magntico, a tenso tambm ser invertida.

Essa diferena de tenso muito pequena, mas se for amplificada, pode ser monitorada por um circuito externo. Essa amplificao j feita internamente no sensor. A sada desse sensor pode ser analgica ou digital. Os sensores analgicos possuem uma sada correspondente intensidade do campo magntico que incide sobre eles. J nos digitais, sua sada estar num nvel lgico Alto enquanto no houver um campo magntico. Se o campo magntico ultrapassar certo valor, ento a sua sada se encontrar num nvel lgico Baixo. Desse modo, os sensores de efeito Hall digitais comportam-se como chaves digitais acionadas por ims. Sensores de efeito Hall so empregados principalmente em indstrias, como sensores de posio, pois so durveis e prticos. Basta colocar um im na estrutura que se deseja controlar o movimento e utilizar um sensor para detectar quanto o im aproxima-se do sensor. Eles tambm so 60

utilizados em teclados destinados a aplicaes onde necessria uma confiabilidade extrema, como avies e usinas nucleares. Cada boto do teclado composto por um im e um sensor. Quando o boto pressionado, o im aproxima-se do sensor e detectado por este. Os dois tipos de sensores possuem certas diferenas em relao ao seu funcionamento. Em geral, os magneto-resistivos so mais sensveis e podem detectar ims a distncias maiores. J os de efeito Hall tem a vantagem de possurem um maior ngulo de cobertura. A unidade de medida do campo magntico mais utilizada para aplicaes com sensores o Gauss. Como referncia, temos que o campo magntico da Terra de aproximadamente 0,6 Gauss. O valor detectado pelo sensor depende da direo do campo magntico que incide sobre ele. Quando o sensor no detecta a presena de nenhum im, teremos em sua sada uma tenso de repouso. Ao aproximarmos o plo Norte de um im ao sensor, teremos um sinal de sada correspondente ao campo magntico que incide sobre o sensor. Mas se invertermos os plos do im, a sada do sensor tambm mudar. Porm, a diferena entre o sinal de sada e a tenso de repouso nos dois casos ser a mesma.

Figura 85: Sada do sensor