Se você usar o Arduino UNO em todo o seu potencial, precisará emparelhá-lo com um ou mais componentes extras. Afinal, um Arduino incapaz de interagir com o mundo ao seu redor não oferece muita diversão! Dividimos os componentes em um circuito eletrônico em três categorias: equipamentos de entrada, como teclas, chaves e detectores; unidades de processamento, como microcontroladores independentes e computadores de placa única, como Arduino, ESP e Raspberry Pi; e dispositivos de saída (ou atuadores), que transformam tensões em sinais sonoros ou luminosos perceptíveis. Para entender melhor como os sensores do Arduino funcionam, é essencial explorar esses componentes de entrada e compreender como eles captam e processam informações do ambiente.
Neste tutorial, vamos nos concentrar na primeira parte desta cadeia. Podemos classificar todos os dispositivos de entrada como sensores. Esses são componentes cuja saída (geralmente uma tensão analógica) muda de acordo com uma propriedade do ambiente circundante. Essa mudança pode ser qualquer coisa, desde uma mudança de temperatura, gravidade, carga eletromagnética. Sensores são dispositivos incrivelmente úteis. Sem eles, os circuitos elétricos simplesmente não fariam muito sentido!
Você achará fácil incorporar sensores em seus projetos usando um Arduino, principalmente se eles estiverem embutidos em uma placa de circuito impresso. Porém, com tantos tipos de sensores para escolher, decidir qual usar pode não ser tão simples. Neste tutorial, tentamos cobrir os sensores Arduino mais populares, mas lembre-se de que você também pode usar esses sensores com outros microcontroladores.
Os sensores do Arduino vêm em todos os tipos de formas e tamanhos. Aqui, examinaremos cinco tipos diferentes em detalhes e tentaremos determinar como (e por que) podemos implementar cada um deles em nossos projetos. Também falaremos sobre onde eles podem ser usados, quais são suas vantagens e desvantagens e, esperamos, fornecer um pouco de inspiração para o seu projeto.
Sensores de temperatura
Um sensor de temperatura, como você provavelmente pode adivinhar, detecta alterações na temperatura ambiente. Eles são essenciais em qualquer dispositivo que dependa dessas informações, como um sistema de jardinagem automatizado que abre ou fecha uma janela em uma estufa, dependendo da temperatura interna. Você encontrará frequentemente sensores de temperatura e umidade agrupados na mesma placa.
Termostato
Entre os tipos mais comuns de sensor de temperatura está o termostato. A maioria dos termostatos contém duas tiras metálicas, colocadas uma em cima da outra. Um muda de forma em resposta a mudanças de temperatura, fazendo com que ambos dobrem e toquem um contato próximo. Os termostatos são baratos de produzir, mas não são tão precisos quanto outros tipos de sensores sensíveis à temperatura, como os termistores.
A leitura numérica fornecida pelo nosso termômetro digital DIY é uma aplicação simples do sensor de temperatura. Se você conseguir mantê-lo à prova de umidade, poderá deixá-lo na geladeira e ver rapidamente como está frio por dentro. Este dispositivo é uma variedade de sensores de temperatura digitais, que emitem valores ao longo de um único fio; ele nem precisa receber energia em uma fonte separada, tornando-a uma opção conveniente.
Termistores
Todo o material condutor se torna menos condutor quando exposto ao calor. Um termistor explora esse fenômeno de maneira controlada e permite que um circuito calcule a temperatura ambiente registrando a resistência. Os termistores são de dois tipos: coeficiente de temperatura negativo (NTC) e coeficiente de temperatura positivo (PTC). O primeiro oferece menos resistência à medida que a temperatura aumenta; o último oferece mais. Ao escolher o componente certo, você poderá manter seu circuito simples.
Nosso termostato inteligente alimentado por NodeMCU incorpora o DHT22, que usa um termistor para medir a temperatura e outro sensor incorporado para medir a umidade. Os dois sensores são conectados internamente a um microcontrolador que emite um sinal digital ao longo de um único fio. Esse material extra de fio retarda um pouco o circuito, com amostras sendo coletadas a cada dois segundos – mas, para nossos propósitos, isso não foi um problema.
Também destacamos o DHT22 em nosso projeto de estação meteorológica baseado em Arduino, o qual pode enviar a temperatura local para uma rede mais ampla de estações meteorológicas públicas e privadas, ajudando a todos no processo.
Termopares
Um termopar consiste em um par de junções de metais diferentes que são unidas. A resistência de um altera-se diferentemente do outro; assim, à medida que o calor aumenta, a diferença de tensão entre as extremidades dos dois muda. Um termopar é capaz de medir faixas de temperatura muito maiores do que um termistor, o que os torna adequados para ambientes de alta tensão, como o interior de uma turbina a gás ou de um motor. Essa vantagem, no entanto, tem um custo de precisão: os termopares não são tão precisos quanto os termistores.
RTD
Um detector de temperatura de resistência, ou RTD, opera de forma muito semelhante a um termistor, exceto pelo fato de que ele é feito de uma bobina de metal altamente condutora, cuja condutividade muda em resposta à temperatura local. Eles estão entre o termopar e o termistor, na medida em que podem medir com mais precisão que o termopar, em uma faixa maior que o termistor. Onde o RTD perde é no quesito tempo de resposta; enquanto os outros componentes que mencionamos reagirão às mudanças de temperatura dentro de alguns segundos, o RTD às vezes pode levar até um minuto. Como tal, é melhor observar tendências mais longas do que reagir a choques térmicos de curto prazo.
Aplicações para sensores de temperatura
Então, onde aplicamos essas tecnologias? Um exemplo comum de um sensor de temperatura é na automação residencial, onde um dispositivo usa um sensor de temperatura (ou vários) para rastrear a temperatura em uma casa e usa as informações coletadas para aumentar ou diminuir o ar condicionado.
Os mesmos princípios se aplicam ao seu forno, os sensores de temperatura integrados no interior do compartimento verificam constantemente se a temperatura está acima ou abaixo do nível desejado. Se as coisas estiverem muito quentes ou muito frias, isso ajustará a energia dos elementos de aquecimento. Você encontra arranjos semelhantes em outros aparelhos onde precisamos controlar a temperatura – incluindo geladeiras, aparelhos de ar condicionado, o bico da sua impressora 3D, a ponta do seu ferro de solda e a CPU do seu computador.
Como escolher um sensor de temperatura
Precisão
Dos componentes que mencionamos, um termistor é de longe o mais preciso.
Alcance
Em um termopar, o sensor real é blindado, deixando apenas os braços de metal aos quais está conectado expostos a temperaturas mais altas. Como tal, é uma ótima opção para situações de alta temperatura.
Interface (analógica / digital)
Praticamente todos os sensores de temperatura emitem uma corrente analógica; você precisará usar um ADC para transformar suas saídas em um valor digital utilizável.
Tempo de resposta
Se você estiver medindo mudanças muito rápidas na temperatura, precisará de um tempo de resposta rápido. Nesse aspecto, termistores e termopares saem por cima; eles são capazes de responder em apenas algumas centenas de milissegundos, enquanto um RTD pode demorar dez vezes mais.
Sensores de distância
Assim como a temperatura, existem vários meios eletrônicos para medir a distância. Na maioria das vezes, eles funcionam de maneira semelhante: acionando um impulso e examinando o sinal de retorno para mudanças, bem como a eco localização.
Esses sensores usam o princípio de tempo de voo (ToF) e calculam a distância usando a seguinte equação:
d = (c x t) / 2
d = distância calculada [metros]
t = tempo medido [segundos]
c = velocidade [metros / segundo]
LIDAR
O LIDAR (ou detecção e alcance da luz) usa um laser para enviar um fluxo de pulsos em direção a um alvo distante. O atraso entre o impulso e a reflexão que volta ao sensor, juntamente com a velocidade da luz (que é de 299.792.458 metros por segundo), permite calcular a distância usando a equação acima. Fazendo isso milhares de vezes por segundo em várias direções, é possível gerar uma imagem tridimensional da área. Assim, é possível criar mapas muito detalhados e precisos sem precisar de uma equipe de pesquisa no local. Lidar pode gerar imagens de cenas de crime para estudos posteriores por cientistas forenses, detectar a velocidade da passagem de veículos e até gerar dados de terreno para uso em videogames.
Sensores ultrassônicos
Sensores ultrassônicos fazem a mesma coisa usando sons de alta frequência em vez de luz. Eles combinam um emissor ultrassônico com um microfone em miniatura projetado para detectar os reflexos. Eles não são muito atuais, mas as informações fornecidas são de baixa resolução e taxa de atualização. E, naturalmente, eles são capazes de operar no escuro. Nesse caso, a distância é calculada usando a equação ToF com a velocidade do som viajando pelo ar. Dado que isso varia de acordo com fatores como umidade, pressão e temperatura, os sensores ultrassônicos não são tão precisos quanto o LIDAR – principalmente em longas distâncias.
Usamos o sensor ultrassônico HC-SR04 em nosso projeto de portão aéreo baseado em Arduino. Ele detecta sempre que um drone passa por perto e muda de cor de acordo. Perfeito para praticar suas habilidades de pilotagem!
Sensores de LED IR
Os sensores infravermelhos de LED funcionam usando diodos emissores de luz. Seu alcance máximo é bastante limitado. Como tal, são ideais para medir distâncias muito curtas. Um ótimo exemplo seria na impressão 3D, onde usamos um sensor de LED para medir (e compensar) pequenas alterações na distância entre a superfície de impressão e a cabeça de impressão.
Sensores de proximidade com efeito Hall
Os sensores de efeito Hall emitem uma tensão dependendo do campo magnético circundante, explorando assim um princípio descoberto por Edwin Hall no final do século XIX. Os sensores de efeito Hall são comuns em certos tipos de interruptores, que têm um minúsculo ímã embutido na parte inferior de uma chave. Uma das vantagens dos sensores de efeito hall é que eles não requerem contato físico entre as partes do comutador. Isso reduz drasticamente o desgaste mecânico. Por esse motivo, você pode encontrar sensores de efeito de hall em muitas aplicações, desde fins de curso em impressoras 3D até velocímetros de bicicleta. Se você quiser conhecer os sensores Hall-Effect e o que eles podem fazer, verifique nossa caixa de presente com efeito hall.
Como escolher um sensor de distância
Inscrição
Nossa primeira consideração deve ser onde o componente será usado. Há um potencial considerável de exagero aqui; você não precisa do LIDAR para saber quando alguém passa por uma porta.
Precisão
Os sensores LIDARs e LED IR oferecem excelente precisão a longo e muito próximo, respectivamente.
Alcance / Distância
Os sensores de LED e hall são bons para distâncias curtas. Se você deseja medir em uma sala inteira, provavelmente é apropriado usar um sensor ultrassônico ou LIDAR.
Pegada
O LIDAR médio é maior que um Arduino e, portanto, faz uma má combinação para projetos muito compactos, onde os sensores de LED e Hall Effect prosperam.
Consumo de energia
Os sensores ultrassônicos e de efeito Hall são os mais eficientes em termos de energia que listamos aqui, enquanto os sensores LIDAR são os menores.
MEMS
Ok, temperatura e distância são mais ou menos auto-explicativas. Mas o que exatamente é MEMS? Bem, é um acrônimo que significa Sistema Micro-Eletromecânico. Ele cobre pequenas máquinas fabricadas, algumas das quais menores que um mícron de largura. Essas máquinas formam a base dos acelerômetros, giroscópios e magnetômetros que permitem ao telefone entender quantos passos você deu em um determinado dia, por exemplo.
Como eles são construídos?
A produção de dispositivos MEMS tira proveito dos mesmos métodos de fabricação amplamente utilizados na fabricação de circuitos integrados. Como tal, eles podem ser fabricados com eficiência e baixo custo. Existem duas abordagens para a ‘micro usinagem’ através da qual os dispositivos MEMS são fabricados: massa e superfície. O primeiro é um método subtrativo que envolve a remoção progressiva de camadas de material de uma superfície, usando a gravação química ou a laser. Enquanto isso, o último é aditivo – com pequenas camadas de material sendo construídas em camadas, como em uma impressora 3D estéreo-litográfica.
Acelerômetros
Acelerômetros medem forças de aceleração. Essas forças podem ser estáticas, como a força constante da gravidade, ou dinâmicas, como as causadas pelo movimento do dispositivo. Há mais de uma maneira de construir um acelerômetro, mas cada uma inclui estruturas micromecânicas que se movem sob força e, portanto, causam uma alteração nas propriedades elétricas do dispositivo. Muitos vêm com um minúsculo cristal piezoelétrico no interior, o qual, quando pressionado por movimentos bruscos, produz uma tensão mensurável. Outros vêm com estruturas em miniatura que coletivamente possuem uma capacitância, que muda à medida que uma dessas estruturas se move em relação à outra.
Mais importante do que o que acontece dentro do acelerômetro é a saída que ele produz. Você encontrará uma variedade considerável aqui; alguns acelerômetros se comunicam digitalmente, enquanto outros emitem uma tensão analógica variável. O Arduino e o Raspberry Pi podem ler ambos, mas um acelerômetro digital libera recursos computacionais, pois não precisa de pesquisas regulares por meio de um comando analogRead (). Atualmente, a maioria dos acelerômetros mede forças ao longo de três eixos e pode variar em sensibilidade e oscilações máximas. Usamos a placa de aceleração de três eixos quando construímos nosso projeto Arduino Pet. O animal de estimação gerará bipes e sons do tipo R2D2 sempre que mudar ou sentir algum movimento. Tudo o que você precisa fazer é arrastá-lo.
Também usamos um acelerômetro em nosso projeto de cauda animatrônica, especificamente um acelerômetro de três eixos e giroscópio combinados.
Sensores de giroscópio
Um sensor de giroscópio desempenha uma função semelhante ao acelerômetro, exceto que ele é construído para detectar alterações na velocidade angular. Você os encontrará nas rodas dos carros, nos controles de videogame e no hardware de correção de vibração em uma câmera de alta qualidade. Eles tendem a trabalhar usando uma série de braços que se dobram um para o outro enquanto o aparelho gira. Os sensores giroscópicos podem medir a velocidade angular, e essas informações podem ser usadas para calcular os próprios ângulos por um longo período de tempo. Eles também podem funcionar como um sensor de vibração e ser usados para, digamos, medir (e corrigir) o pequeno movimento de um motor conectado.
Aplicações e Escolha do Sensor de Giroscópio
Se você está construindo robôs ou precisa medir informações precisas do mundo físico, definitivamente usará um sensor giroscópio. Assim como os acelerômetros, eles vêm com uma variedade de saídas e sensibilidades, e você deve escolher o que melhor combina com seu projeto.
Magnetômetro
Um magnetômetro mede os campos magnéticos em três eixos em relação ao campo magnético da Terra. Eles são usados em bússolas digitais, por exemplo. Embora existam outras tecnologias disponíveis, a esmagadora maioria dos magnetômetros modernos funciona através do princípio do efeito de hall que descrevemos. Embora você possa encontrar cada um dos sensores MEMS como um sensor separado, é comum encontrá-los em combinações de 2 ou até 3. Por exemplo: o MPU6050 que usamos em nosso projeto de cauda animatrônica incorpora um acelerômetro e um giroscópio.
Como escolher o sensor MEMS certo?
Os MEMS são diferentes dos outros tipos de sensores que mencionamos aqui, pois são definidos pela forma como são feitos e não pela medida que medem. Não é possível comparar acelerômetros, giroscópios e magnetômetros diretamente, pois cada um serve a um propósito distinto. O que podemos comparar são diferentes tipos de acelerômetros, giroscópios e magnetômetros: por exemplo, acelerômetros CC versus CA. Isso vai um pouco além do escopo deste artigo – mas podemos retornar ao tópico em uma entrada futura!
Sensores de cor / luz
O espectro da luz é muito mais amplo que a porção visível. Medimos a luz em frequência ou comprimentos de onda: percebemos diferentes frequências como cores diferentes:
Podemos calcular a frequência de um determinado feixe de luz usando a equação abaixo. Frequências maiores ou menores que o espectro visível são conhecidas como infravermelho ou ultravioleta. Como tal, há mais em equipamentos de detecção de luz do que apenas replicar o olho humano em formato digital. Se você deseja detectar informações enviadas por um controle remoto por infravermelho, precisará de um sensor de infravermelho.
f = v / λ
F = frequência [Hz]
v = Velocidade da Luz [metro / segundo]
λ = comprimento da onda [metro]
Para medir as diferentes partes do espectro, você precisará usar sensores diferentes que respondam à frequência da luz que deseja medir.
LDR
A forma mais simples de sensor de luz é o resistor dependente da luz, ou LDR (ou foto-resistor). A resistência do LDR cai quando exposta à luz, em comparação com o valor da resistência medido no escuro. Em outras palavras, a medida amostrada no LDR é a da resistência, e não a própria luz. Usamos o LDR em nosso girassol mecânico, cujas pétalas impressas em 3D se desdobram sempre que o sol nasce.
Sensor de luz RGB
Um sensor de luz RGB funciona enviando luz branca pura e medindo o comprimento de onda da reflexão. Enviamos a resposta através de três filtros separados, transformando os componentes vermelho, azul e verde em corrente, que por sua vez transmitimos ao Arduino por meio de comunicação serial digital. Os sensores de luz formam a base do sensor CCD encontrado nas câmeras digitais, mas também são extremamente úteis em máquinas de triagem industriais, onde usamos para filtrar defeitos de fabricação nas linhas de produção em um ritmo relâmpago. Mas eles também são ótimos para uso doméstico. Por exemplo, desenvolvemos um circuito baseado em Arduino para detectar a cor de uma cápsula de café e exibir as informações relevantes em uma tela de LCD.
Como escolher um sensor de luz
Espectro (IV, cor específica, luz ambiente)
As informações complexas divulgadas por um sensor RGB permitem detectar uma combinação específica de cores. Por outro lado, um foto-resistor simplesmente varia de acordo com a luz geral recebida.
Sensibilidade à temperatura
Dado que os LDRs variam em resistência à medida que a temperatura sobe e desce, eles são pouco adequados para situações em que a temperatura irá flutuar.
Taxa de atualização
Um LDR pode responder a uma pequena mudança na luz em alguns milissegundos, mas se mudar da luz total para a escuridão total, ou vice-versa, pode demorar um segundo ou mais para que o sensor registre a alteração completamente. Os sensores RGB são comparativamente compactos.
Sensores de toque / força
Os sensores de força e toque convertem força física em sinais elétricos. Como os outros sensores que mencionamos, eles vêm em diversas variedades, cada uma adequada para uma aplicação ligeiramente diferente. Muitos dispositivos, como telefones celulares, balanças digitais e também seu carro, utilizam sensores sensíveis à força como parte do sistema de acionamento do airbag.
Telas sensíveis ao toque
O tipo mais óbvio de sensor sensível à força é aquele que a maioria de nós carrega diariamente nos bolsos: a tela sensível ao toque em nossos telefones celulares. As telas sensíveis ao toque estão disponíveis em duas variedades: resistiva e capacitiva.
As telas sensíveis ao toque resistivas são feitas de camadas de material condutor, dispostas para detectar a presença e o local da pressão em um determinado momento. Eles são capazes de responder a quantidades muito pequenas de pressão, de praticamente qualquer objeto, mas não são tão rápidos em atualizar quanto a tela de toque capacitiva que você possui no telefone.
Construímos as telas sensíveis ao toque capacitivas de maneira diferente, dependendo das propriedades condutoras do dedo humano para funcionar. Colocamos uma folha de condutor transparente atrás de uma folha de isolador, como vidro. Quando você pressiona o dedo contra a folha de isolador, isso causa uma alteração no campo eletrostático da folha condutora. O software pode usar essa informação para deduzir rapidamente onde está o dedo. Mesmo se houver vários contatos simultâneos em um dispositivo de toque capacitivo, o computador poderá descobrir onde eles estão.
FSRs
Um resistor com sensor de força é um tipo de sensor de pressão mecânico construído a partir de uma impressão condutora, consistindo em um zig-zag de traços estreitos, colocado levemente abaixo de um filme condutor. À medida que você aplica pressão, os dois se aproximam e a corrente flui mais facilmente através da totalidade. Você pode até criar seus próprios FSRs usando um pedaço de esponja condutora. Pressione-o e o espaço interno diminuirá, permitindo que a corrente flua mais facilmente. FSRs são muito baratos. No entanto, eles não são muito precisos e, por isso, fazem combinações ruins de balanças eletrônicas e outros equipamentos. Mas para certas aplicações de sensores de pressão, esses recursos extras não são necessários.
Célula de carga
As células de carga de strain gauge funcionam de maneira muito diferente dos resistores sensíveis à força, mas exploram o mesmo princípio básico. Quando uma região de fiação em zigue-zague é compactada, a resistência diminui. O ‘strain gauge’ em si é um padrão em zigue-zague impresso em um substrato flexível. Quando a força é aplicada, ela se torna mais condutora. Um comutador de carga típico de extensômetro incorpora quatro desses dispositivos, com uma média sendo obtida de cada um. Assim, a maioria das células de carga tem uma precisão de 0,1%, o que se compara muito favoravelmente com seus equivalentes FSR. Existem outras variedades de células de carga disponíveis, incluindo hidráulicas e pneumáticas, mas, graças aos seus custos de produção mais baixos, os extensômetros representam uma crescente maioria das células de carga disponíveis.
As células de carga, de todos os tipos, têm suas desvantagens. Eles tendem a ser volumosos e caros, e podem não ser confiáveis se sobrecarregados, montados incorretamente ou expostos a um ambiente corrosivo. Isso contrasta fortemente com os FSRs, que são um pouco mais robustos.
Usamos esse componente em nossa ‘tigela de frutas malvada’, que chia em agonia (ou toca qualquer som que você decida carregar) toda vez que você remove um pedaço de fruta. A precisão da célula de carga permite que isso aconteça de maneira consistente – ela é precisa o suficiente para detectar a diferença quando você remove uma única banana de uma fruteira totalmente carregada.
Como escolher um sensor de toque / força
Precisão
As células de carga são o tipo mais preciso de sensor de força, enquanto FSRs são os mínimos.
Força máxima / mínima
Uma célula de carga também pode tolerar diferenças de pressão muito maiores do que qualquer outro tipo de sensor de força. Além disso, os mais caros podem pesar com precisão até cem quilos ou mais.
Interface
Uma tela sensível ao toque resistiva, com sua conectividade digital, oferece a interface mais direta dos sensores que listamos.
Pegada
A pegada em um resistor sensível à força pode ser muito pequena – e também é completamente plana. Por outro lado, uma célula de carga com extensômetro é extremamente volumosa e, portanto, inadequada para a maioria das aplicações de eletroeletrônicos.
Conclusão
Espero que você já tenha uma ideia dos tipos de sensores Arduino disponíveis e o que cada um deles faz. No entanto, há muito mais detalhes para entrar e muitas informações sobre cada um dos sensores que mencionamos. Por exemplo, se você quiser se familiarizar com algum deles, por que não começar reunindo alguns dos projetos de amostra aos quais vinculamos? Ademais, se você tiver alguma dúvida ou sugestão quanto a este tutorial, por favor, não hesite em deixar um comentário abaixo.
