Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG LAGEAR - Laboratório Gráfico para Experimentação Arquitetônica

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1 Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG LAGEAR - Laboratório Gráfico para Experimentação Arquitetônica 1 Computação Física 1/4

2 Esta apostila foi desenvolvida com o apoio da FAPEMIG dentro do projeto Entre Presença e distância - laboratórios hibridos para educação arquitetônica compartilhada coordenado pelo Prof. José dos Santos Cabral Filho. Universidade Federal de Minas Gerais - UFMG Escola de Arquitetura - LAGEAR Foi elaborada pelos bolsistas de graduação Marina Martins e Rafael Gil com o apoio do Prof. Cassiano Rabelo e dos bolsistas de mestrado Isabela Lages e Mateus Stralen. Esta apostila destina-se apenas ao uso educacional. Foram utilizados como base para o desenvolvmento dos conteúdos os seguintes livros: - Geting started to Arduino, de Massimo Banzi - Lowtech sensors and actuators for artists and architects, de Usman Haque - Processing: a programming handbook for visual designers and artists, de Casey Reas e Ben Fry Este manual faz parte de uma coleção composta de 4 manuais sobre a computacão física, sendo eles: -Introdução aos circuitos I Introdução aos circuitos II Processing Arduino Foto da capa: Cristiano Dayrell Projeto gráfico: Marina Martins e Rafael Gil Belo Horizonte Agradecemos à FAPEMIG (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais) pelo incentivo e apoio na elaboração deste manual.

3 introdução Esta apostila tem como objetivo fazer uma breve introdução aos circuitos. Nos seus três capítulos, serão abordados temas como a eletricidade, a anatomia de um dispositivo interativo e sensores e atuadores. Introdução aos circuitos I 4 5 1/4

4 1.eletricidade 2 Eletricidade é o fenômeno físico originado pela interação de cargas elétricas estáticas ou em movimento. Para entender como a eletricidade e os circuitos elétricos funcionam, a melhor maneira é usar a analogia da água. Usando como exemplo um dispositivo simples, como dos ventiladores portáteis movidos a bateria como o da figura abaixo. Desmontando o ventilador, você verá que ele contém uma pequena bateria, um par de fios, e um motor elétrico. Um dos fios que vão para o motor é interrompido por um interruptor. Se você tiver uma bateria nova nele e ligar o interruptor, o motor vai começar a girar, proporcionando a ventilação ideal. Os conceitos mais importantes sobre eletricidade são: -Tensão (V): é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos. Sua unidade de medida é o Volt. Pode ser simplificada como a força responsável pela movimentação de elétrons. -Corrente (I): é o fluxo ordenado de partículas portadoras de carga elétrica devido a uma diferença de potencial -Resistência (R): capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica pelo mesmo é medida em ohms (Ω). Essas três grandezas se relacionam de acordo com a lei de Ohm, que é V=R x I Imagem extraída do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi 2.tradução adaptada da parte What Is Electricity? do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi 6 7

5 Para entender como isso funciona, imagine que a bateria é tanto um reservatório e uma bomba d água, a chave é uma torneira, e o motor é uma roda de moinho de água. Quando se abre a torneira, a água flui da bomba e coloca a roda em movimento. Neste sistema hidráulico simples, mostrado na figura abaixo, dois fatores são importantes: a pressão da água (isso é determinado pela força da bomba) e a quantidade de água que flui nos tubos (isso depende o tamanho dos tubos e da resistência que a roda vai fornecer ao jato de água batendo nela). forte para ela. Outra coisa que se pode notar é que, como a roda gira, o eixo vai aquecer um pouco, porque não importa o quão bem a roda é montada, o atrito entre o eixo e os buracos em que a roda é montada gera calor. É importante entender que em um sistema como este, nem toda a energia da bomba será convertida em movimento: parte será perdida em uma série de ineficiências e, em geral mostramse como o calor que emana de algumas partes do sistema. As partes mais importantes do sistema são, portanto, a pressão produzida pela a bomba, a resistência que os canos e aroda oferecem ao fluxo de água e o fluxo de água em si (que pode ser representado pelo número de litros de água que fluem em um segundo). Electricidade funciona um pouco como a água. Existe um tipo de bomba (qualquer fonte de eletricidade, como uma bateria ou uma tomada de parede), que empurra as cargas elétricas pelos tubos, que são representados pelos fios-alguns dispositivos são capazes de usálos para produzir calor, luz, som, movimento, entre outros. Dessa forma, dizer que a tensão de uma bateria é de 9 V, pode-se pensar analogamente que esta tensão é a pressão da água que potencialmente pode ser produzida por esta bomba. A tensão é medida em volts. Imagem extraída do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi Percebe-se rapidamente que para a roda girar mais rápido, devese aumentar o tamanho dos tubos (mas isso só funciona até certo ponto) e aumentar a pressão que a bomba exerce. Aumentar o tamanho dos tubos permite passar um maior fluxo de água por eles, reduzindo efetivamente a resistência dos tubos para o fluxo de água. Esta abordagem funciona até um certo ponto, em que a roda não vai girar mais rápido porque a pressão da água não será suficientemente forte. Quando chega-se a esse ponto, é necessário que a bomba seja mais forte. Este método de acelerar o moinho de água pode ir até o momento em que a roda é destruída porque o fluxo de água é muito Assim como a pressão da água tem um equivalente elétrico, o ritmo do fluxo de água também. Isso é chamado de corrente, e é medida em amperes. A relação entre tensão e corrente pode ser ilustrado pela analogia da roda de água: a maior tensão (pressão) permite girar uma roda mais rápido, uma maior taxa de fluxo de água (corrente) permite uma rotação de rodas maiores. Finalmente, a resistência que se opõe ao fluxo de água durante um trajeto feito é chamado de resistência e é medido em ohms. Em um circuito a tensão, a corrente, e a resistência são todos relacionados entre si. Voltando à analogia da água que flui em tubos, supondo uma determinada bomba, se for instalada uma válvula (que 8 9

6 pode-se relacionar com um resistor variável de electricidade), quanto mais se fecha a válvula-aumentando a resistência ao fluxo de águamenor é fluxo de água que passa através das tubulações. Pode-se resumir essas observações nestas fórmulas: R (resistência) = V (tensão) / I (corrente) V = R x I I = V / R 2. anatomia de um dispositivo interativo 3 Um dispositivo eletrônico interativo é aquele que sente os estímulos do ambiente e responde a esses estímulos. Um dispositivo interativo é geralmente composto por circuitos capazes de sentirem o ambiente utilizando sensores (componentes eletrônicos que convertem as medições do mundo real em sinais elétricos). Tais dispositivos processam as informações que recebem dos sensores com um software. Eles serão então capazes de interagir com o mundo físico usando atuadores, componentes eletrônicos que podem converter um sinal elétrico em uma ação física ou uma ação visível. Imagem adaptada do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi tradução adaptada da parte Anatomy of an Interactive Device do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi

7 3. sensores e atuadores sensores Sensores e atuadores são componentes que permitem a um dispositivo eletrônico interagir com o mundo físico. Como o microcontrolador é um computador muito simples, ele consegue processar apenas sinais elétricos (um pouco como os impulsos elétricos que são enviados entre os neurônios no cérebro humano). Para ele sentir luz, temperatura ou outras grandezas físicas, ele precisa de algo que pode convertê-los em energia eléctrica. No corpo humano, por exemplo, o olho converte luz em sinais que são enviados ao cérebro através dos nervos. Em eletrônica, pode-se usar um dispositivo simples, chamado LDR ou fotorresistor que pode medir a quantidade de luz que incide nele e relatá-la como um sinal que pode ser compreendido pelo microcontrolador. Uma vez que os sensores foram lidos, o dispositivo tem as informações necessárias para decidir como reagir. O processo decisório é tratado pelo microcontrolador, e a reação é realizada por atuadores. No corpo humano, por exemplo, os músculos recebem sinais eléctricos do cérebro e os converte em um movimento. No mundo dos eletrônicos, essas funções podem ser realizadas, por exemplo, por uma luz ou um motor elétrico. Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal. Porém os sensores artificiais são aqueles que respondem com sinal elétrico a um estímulo ou um sinal. Abaixo seguem alguns tipos de sensores disponíveis no mercado: -Fotorresistor(LDR) Sensor que detecta densidade de luz incidente. É um componente que diminui sua resistência quando nele incide luz de forma mais intensa. Aspectos técnicos: -Preço médio: R$1,00 a R$1,50 a unidade. -A resistência de um LDR pode variar de 1 MΩ na escuridão até 100 Ω na luz muito brilhante. -Vale lembrar que quanto maior o raio da cabeça, o LDR será mais sensível e a variação de luz percebida é mais abrangente (variando, portanto, entre faixas mais distantes de resistências). 4.tradução adaptada da parte Anatomy of an Interactive Device do livro Geting started to Arduino, de Massimo Banzi 12 13

8 Em diagramas de circuitos indica-se com o desenho abaixo: Em diagramas de circuitos indica-se como no desenho abaixo: -Potenciômetro É um componente que oferece resistêcia à passagem de corrente elétrica de maneira variável, seja alterando pela rotação de um rotor ou deslizando uma barra. Apesar de não parecer exatamente um sensor, ele pode ser considerado um pois auxilia na transformação de um evento do mundo físico em impulsos elétricos. Aspectos técnicos: -Podem ser de rotor e de barra deslizável -Preços variam de R$4,00 até R$25,00, dependendo da qualidade e de quão grande é a faixa de resistências abrangida. -Posuem rês pinos, sendo os das extremidades a entrada e a saída para a resistência total do potenciômetro e o do meio a saída em que percebe-se a resistência variável

9 - Medidor de distância ultrasônico - Sensor Infravermelho Sensor de distancia que promove leituras precisas para distancias entre 0 e 6,5 metros em incrementos de 2,54 cm. Aspectos técnicos: 42kHz Ultrasonic sensor 20Hz reading rate RS232 Serial Output bps Analog Output - 10mV/inch PWM Output - 147uS/inch Consiste em um conjunto de emissor e detector de raios infravermelhos. Utilizado em conjunto com um microcontrolador permite leituras variáveis de intensidade IR (Infra Red). O detector consiste em um transistor acionado por IR. Low 2mA supply current 16 17

10 - FotoTransistor - Sensor de umidade e temperatura Sensor de umidade e temperatura com output digital. Não precisa de componentes externos e pode ser conectado diretamente ao microcontrolador. Este sensor utiliza um diodo emissor infra-vermelho combinado com um fototransistor infra-verlheho para detectar o sinal refletido. Ideal para detectar objetos próximos. Opera a uma distância de 0,5 a 1cm. Em diagramas de circuitos, indica-se como o desenho abaixo: - Umidade: 0-100% RH - Variação de temperatura: -40oC a 123oC - Resolução: 0.03 %RH e 0.01oC - Acelerometro de três eixos O acelerômetro é um dispositivo que mede uma força externa específica, que corresponde a soma total das forças que atuam sobre o objeto dividido pela sua massa

11 Um acelerômetro parado sobre uma mesa terá a leitura de 1 g de força específica devido a força que a mesa exerce sobre o acelerômetro. Se colocado em um ambiente a vácuo sua leitura será 0. Serve como detector de movimento de um objeto, tremores, oscilações e medidor de ângulos. foto da placa so sensor - Sensor de luz Capta a incidência ou não de luz, de acordo com o uso. A captação de luz ocorre num LDR presente num dos fios. O sensor de luz não capta diferentes níveis de luz, mas sim dois distintos de falta ou abundância de luz, à maneira de um interruptor.possui portanto output digital. projeto do circuito impresso em escala 1/

12 3.2 Atuadores Atuadores são dispositivos eletrônicos responsáveis pela realização de alguma ação como resposta a um estímulo lido por um sensor. - Buzzer É um componente que quando eletrizado emite um apito, que pode ser contínuo ou não, dependendo do modelo e de volume variável de acordo com a tensão. (adaptado de Abaixo seguem alguns dos atuadores mais comumente usados. - LED s São diodos semicondutores que quando energizados emitem luz vizível. Por isso são chamados de diodos emissores de luz (Light emitting diode em inglês, por isso LED). (adaptado de - Motores Motor elétrico é uma máquina destinada a transformar energia elétrica em mecânica fonte: wiki/servo_motor,

13 é necessário a confecção de um circuito integrado e o uso de um microcontrolador específico para tanto. Um tipo especial de motor de passo é o servo motor, que já possui esse microcontrolador e circuito integrado, sendo facilmente integrado com o Arduino para a definição de angulação e velocidade com programas simples. O servo motor admite uma rotação de no máximo 180o, já o motor de passo admite rotação contínua. Motor DC Um dos tipos de atuadores mais importantes são os motores e existem alguns tipos diferentes cujas diferenças devem ser ressaltadas: O motor DC é o motor de corrente contínua e que simplesmente liga-se na bateria para funcionar. Ele não apresenta possibilidade de controle de rotação, podendo estar apenas ligado e desligado. Pode-se considerar certa variação de RPM com diferentes tensões, mas é difícil precisá-las. Já o motor de passo, também de corrente contínua, permite um controle de rotações e velocidade. No entanto 24 25