O USO DE UM SENSOR DE LUZ LINEAR COMO RECURSO DIDÁTICO PARA DEMONSTRAR PRINCÍPIOS DE DIFRAÇÃO E ESPECTROSCOPIA

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1 Quim. Nova, Vol. 38, No. 3, S1-S6, 2015 O USO DE UM SENSOR DE LUZ LINEAR COMO RECURSO DIDÁTICO PARA DEMONSTRAR PRINCÍPIOS DE DIFRAÇÃO E ESPECTROSCOPIA Fernando Arruda Mendes de Oliveira a,b, Eduardo Ribeiro de Azevedo a, * e Luiz Antonio de Oliveira Nunes a a Instituto de Física de São Carlos, Universidade de São Paulo, CP 369, São Carlos SP, Brasil b Dixtal Biomédica, Philips Healthcare, São Paulo SP, Brasil DETALHES DA CONSTRUÇÃO E OPERAÇÃO DE DISPOSITIVO UTILIZANDO O SENSOR LINEAR TSL1402R CIRCUITO ELETRÔNICO E MONTAGEM MECÂNICA O sensor linear TSL1402R possui internamente um arranjo linear de fotodiodos para detecção de sinais luminosos. A família de sensores TSL da TAOS é voltada para aplicações como leitor de imagens, reconhecimento de texto, detectores de borda, medidor de distancia por triangulação, podendo também ser usado em espectroscopia óptica. Internamente o sensor possui 256 fotodiodos e circuitos internos para facilitar o seu uso na detecção de sinais. O sinal de saída sensor é analógico e os sinais de controle são digitais. Dessa forma, um microcontrolador PIC 18F2553 foi utilizado para fornecer os sinais de controle necessários e a leitura do sinal foi realizada através de seu conversor analógico digital interno. O microcontrolador fornece meios para visualizar os resultados da medida através da comunicação com um computador por meio de uma conexão USB. A Figura 1S mostra o diagrama do circuito eletrônico projetado. O circuito é simples. Possui o microcontrolador, o sensor TSL1402R (TSL por simplicidade), um cristal oscilador para o funcionamento do microcontrolador, conector USB tipo B, além de capacitores de filtro. Uma placa de circuito impresso foi projetada e construída para integrar o sensor TSL com o microcontrolador, conectores e fornecer meios necessários para a alimentação dos circuitos. Essa placa é acomodada em uma caixa que atende as necessidades ópticas e mecânicas do dispositivo (isolamento e acoplamentos mecânicos) como mostra a Figura 2S. OPERAÇÃO DO TSL1402R Material Suplementar O sensor TSL possui internamente dois conjuntos de fotodiodos separados fisicamente. Cada conjunto possui 128 fotodiodos formando um arranjo linear de 256 elementos. Os conjuntos possuem entradas e saídas independentes e desse modo podem ser acessados de forma paralela ou sequencial. A Figura 3S mostra duas configurações de hardware sugeridas para operação paralela ou sequencial. Percebe-se pelos diagramas mostrados que para a operação do sensor poucos sinais de entrada são requeridos: SI (Serial Input) e CLK (Clock). O SI inicia um novo ciclo de aquisições em cada conjunto de fotodiodos e o sinal CLK controla o andamento das etapas internas do ciclo de aquisição. O sensor possui internamente um circuito lógico semelhante a um registrador de deslocamento responsável por exibir diferentes valores de saída a cada pulso de clock. O registrador de deslocamento, juntamente com outros circuitos digitais internos proporcionam a estrutura necessária para operar os circuitos analógicos somente com os sinais de entrada SI e CLK. Na configuração sequencial, o sinal SI2 está conectado à saída SO1. Isso faz com que ao fim do ciclo de aquisição do primeiro conjunto, o ciclo de aquisição do segundo conjunto seja automaticamente iniciado. Já na configuração paralela, o pino SI1 e SI2 estão conectados, fazendo com que os ciclos de aquisição dos dois conjuntos Figura 1S. Esquema elétrico do circuito projetado * azevedo@ifsc.usp.br

2 S2 de Oliveira et al. Quim. Nova Figura 2S. Placa de circuito impresso na montagem mecânica Figura 3S. Diagramas para ligação em a) modo sequencial ou b) modo paralelo iniciem ao mesmo tempo. Comparativamente, a ligação em modo sequencial tem aquisição mais simples, pois há somente dois sinais de entrada e uma saída, enquanto o modo de ligação paralela é mais rápida, pois faz duas aquisições simultâneas e, para isso, necessita de um canal a mais de conversor analógico. Por simplicidade, a montagem sequencial foi adotada. O ciclo de aquisição interno de cada conjunto de fotodiodos tem dois processos internos: saída do sinal analógico e aquisição de novos dados. O diagrama da Figura 4S mostra o comportamento dos sinais de entrada e saída em um ciclo de aquisição. circuitos integradores internos. Um novo pulso em SI interrompe o processo de integração. Ao mesmo tempo em que ocorre o processo de aquisição e integração, a saída analógica do sensor é atualizada com os valores integrados no ciclo anterior de aquisição. Dessa forma, para ler as informações do sensor são necessários ao menos dois ciclos de aquisição, sendo o primeiro para capturar sinal luminoso e o segundo para disponibilizar os valores adquiridos no primeiro, e assim por diante. Durante os primeiros 128 ou 256 pulsos de clock (ligação paralela ou sequencial), o valor acumulado de tensão correspondente a cada um dos fotodiodos é disponibilizado ordenadamente. Após esse tempo é necessário esperar um tempo t qt de 20µs para finalizar a etapa de integração e iniciar um novo ciclo de aquisição. Dessa forma, o tempo de integração do sinal e o tempo mínimo podem ser calculados pelas seguintes expressões: t t int = int ( MIN) ( NCLK 18) T ( ) CLK = µ s+ 20 µ s= 33,75 µ s onde T CLK é o período dos pulsos de clock e N CLK o número total de pulsos de clock fornecidos em um ciclo de aquisição. O tempo mínimo de 33,75µs é alcançado com a frequência máxima de clock (8MHz) em ligação paralela dos sensores. Depois do início de um novo ciclo, as tensões nos pinos de saída são atualizadas com a leitura de cada elemento do sensor (ou pixel) a cada pulso de clock, ou seja, com 1 pulso de clock o valor lido no primeiro pixel é exibido no pino de saída e depois de 128 ou 256 pulsos (configuração paralela ou série) o valor de todos os pixels podem ser lidos de forma analógica. A Figura 5S mostra o funcionamento interno do sensor. Cada um dos 256 fotodiodos é acoplado a um circuito integrador e um sample and holder. Um circuito lógico controla o acoplamento entre cada bloco e o buffer da saída analógica. Cada bloco identificado como pixel n na Figura 5S, recebe luz no fotodiodo que fornece corrente para carregar o capacitor do circuito integrador. A tensão armazenada no circuito integrador é copiada pelo circuito de sample and hold que mantém o valor inalterado até a sua leitura no próximo ciclo de aquisição. O circuito integrador permanece ativo durante o período denominado tempo de integração (Figura 4S ). Esse tempo pode ser ampliado ou reduzido de acordo com o intervalo entre o 18º pulso de clock e o início do próximo ciclo de aquisição. SOFTWARE E FIRMWARE Figura 4S. Diagrama de sinais em um ciclo de aquisição Para iniciar o ciclo de aquisição, um pulso é enviado à entrada SI. Durante os primeiros 18 pulsos do sinal de clock o sensor permanece com sua aquisição inativa e à partir daí inicia o processo de aquisição do sinal. À partir do 18º pulso de clock o sensor inicia o processo de integração de sinal que é mantido até o próximo pulso de SI. Durante esse período denotado por t int na Figura 4S, a corrente gerada pela luz incidente nos fotodiodos é acumulada em Para a operação do dispositivo, foi desenvolvido um software para o microcontrolador PIC (embarcado) e outro para um computador com plataforma Windows, escritos em linguagem C e Delphi, respectivamente. Os softwares são responsáveis pela manipulação do sensor, comunicação USB e exibição e manipulação dos dados no computador. O software embarcado do microcontrolador (firmware) faz a leitura do sensor utilizando o conversor AD interno e envia os sinais digitais necessários para a operação correta do sensor. Depois do processo de aquisição, o microcontrolador envia os pulsos excedentes que configuram o tempo de integração para o próximo ciclo e, por fim, envia os dados adquiridos para o computador com o protocolo USB. A seguir é transcrita a função em C que executa essas operações: void leitura(int16 delay) { int16 dado, i;

3 Vol. 38, No. 3 O uso de um sensor de luz linear como recurso didático para demonstrar princípios de difração e espectroscopia S3 Figura 5S. Funcionamento interno do sensor TSL1402R SET_ADC_CHANNEL(0); //Leitura do conversor analógico AN0 output_high(si); //Pulso inicial para habilitar saída output_high(clk); output_low(si); output_low(clk); //Primeiro valor disponível para leitura dado=read_adc(); //Leitura do primeiro valor out_data[0]=make8(dado, 0); //Preparação para envio em bytes out_data[1]=make8(dado, 1); for(i=2; i<512; i++) //Laço para leitura dos pixels { //na saída AO1 output_high(clk); output_low(clk); dado=read_adc(); out_data[i]=make8(dado, 0); ++i; out_data[i]=make8(dado, 1); } for(i=4; i<delay; i++) //Pulsos adicionais para integração { output_high(clk); delay_us(500); output_low(clk); delay_us(500); } usb_puts(1, out_data, 512, 5); //Envio dos valores out_data[] por USB } O software do computador possui uma interface gráfica além de botões e campos de texto para configuração e controle. A integração com um computador possibilita a visualização dos dados obtidos, salvar e manipular dados das aquisições troca de escala, subtrair contagem de fundo (ruído), calcular médias e quaisquer cálculos mais complexos. A Figura 6S mostra o aspecto geral do software. O software possui uma área gráfica para exibir os dados coletados, um menu acima do gráfico com opções para ajuste de escala e outro à direita com opções para a operação do sensor. Através dessa interface é possível fazer medidas em um único disparo (simples), medidas contínuas (contínua) ou com uso de média (médias). Existe também a opção de definir o tempo de integração das medidas, manipulação de arquivos e um sistema para subtrair o sinal de fundo inerente ao sistema de aquisição (offset de cada pixel). A Figura 7S mostra o processo de aquisição da medida de fundo para compensação. O sensor apresenta uma contagem de fundo inerente às próprias características elétricas (correntes de fuga internas) e também ruídos térmicos e radiação de fundo. Para reduzir os efeitos do ruído de fundo, o sensor deve ser completamente obstruído enquanto o software faz diversas medidas para posteriormente subtrair de cada pixel o seu valor equivalente de offset. A aquisição (ou contagem) de fundo é gravada em um arquivo no computador. A Figura 8S mostra outro recurso do software utilizado para espectroscopia como mostrado nos resultados experimentais do artigo (note que por ter sido realizada usando um monocromador, essa medida não possuir a distorção apresentada na Figura 9). Nessa aplicação, o eixo horizontal (Posição dos pixels) representa o comprimento de onda do espectro. O software corrige a escala horizontal para o comprimento de onda tomando como base a posição de dois ou mais pontos conhecidos no espectro. O usuário digita o comprimento de onda correto de um ponto conhecido e clica em capturar ponto. O próximo passo é mostrado na Figura 9S: a seleção dos comprimentos de onda. O usuário deve informar ao software dois ou mais valores de referência conhecidos no gráfico. No exemplo da Figura 9S, o pico identificado corresponde ao comprimento de onda de 546nm. Depois de escolhido um segundo pico como referência, o software calcula a escala horizontal adequada e substitui o valor original de Posição do pixel para Comprimento de onda como mostrado na Figura 10S. Mais de dois pontos podem ser fornecidos como referência para a nova escala. Nesse caso, o software fará uma interpolação linear para melhor adequar a nova escala.

4 S4 de Oliveira et al. Quim. Nova Figura 6S. Aspecto geral do software Figura 7S. Aquisição de contagem de fundo

5 Vol. 38, No. 3 O uso de um sensor de luz linear como recurso didático para demonstrar princípios de difração e espectroscopia S5 Figura 8S. Calibração de escala para espectroscopia Figura 9S. Seleção dos pontos para calibração

6 S6 de Oliveira et al. Quim. Nova Figura 10S. Gráfico com escala calculada