Departamento de Química
APLICAÇÕES DE AUTOMAÇÃO EM LABORATÓRIOS DE QUÍMICA
Aluno: Daniel Martins Silva
Orientador: Tatiana Dillenburg Saint’Pierre
Introdução
Dentro da química, existem diversas aplicações para o desenvolvimento de um processo
de automação, que podem melhorar a eficiência de processos, além de serem mais baratos que
equipamentos com funções semelhantes no mercado.
É possível fazer um fotômetro a partir de uma fonte de emissão, como um LED e de um
detector de fótons, como um fototransmissor, dispostos em linha e, eventualmente, um
suporte para isolar o sistema da luz ambiente. Um turbidímetro é outra aplicação prática da
automação com baixo custo e simples de fazer, uma vez que seriam necessários apenas um
sensor e um emissor em infravermelho em linha. Além disso, é possível fazer um amostrador
automático, a partir de um sistema de válvulas ou dois motores de passo, com um custo
substancialmente menor que o do equipamento comercial. Sensores de pressão, umidade,
gases e temperatura podem também ser desenvolvidos a partir da automação. Vale ressaltar
que a viabilidade da automação depende do fim do procedimento, pois os equipamentos
comerciais, em geral, possuem maior precisão, logo se em processos onde se precisa de alta
precisão, a automação se torna muito mais complexa.
A grande gama de possibilidades para execução da automação e o baixo custo dos
componentes são decorrentes da popularização do Arduino, um microcontrolador de simples
uso tanto na parte eletrônica quando na computacional, que gerou uma grande demanda e,
consequentemente, grande oferta de sensores, válvulas, relés e demais componentes
eletrônicos [1].
Objetivos
O objetivo do trabalho foi de desenvolver sistemas automatizados de diversos
procedimentos comuns de laboratórios de química, tal a aquisição de espectros de absorção e
de dados de turbidimetria, para mostrar sua eficiência ou simplicidade e indicar o caminho
realizado para que estes sejam realizados.
Metodologia
Os dois principais microcontroladores do mercado são o Arduino e o Raspberry Pi,
ambos são fáceis de usar na parte eletrônica, sendo necessário pouco conhecimento do
assunto, porém o Raspberry Pi exige maior conhecimento de programação, possui resposta
um pouco mais rápida, mas é consideravelmente mais caro que o Arduino, logo o Arduino foi
a escolha empregada no método de automação.
O Arduino possui uma linguagem própria baseada em C bem simples de fácil
aprendizado e ainda possui bastante material próprio na internet. Existem diversas bibliotecas
para Arduino para a maioria dos sensores, motores e demais componentes a venda
separadamente que possam vir a necessitar de uma programação mais complicada, além de
inúmeros exemplos de aplicações com o Arduino, o que permite o uso do Arduino sem grande
conhecimento de computação. Acerca da parte eletrônica, a maioria dos componentes tem
suas conexões com o Arduino demonstradas [1] o que permite, portanto, o conhecimento das
voltagens e polaridade de cada conexão.
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A partir do Arduino é possível receber ou enviar sinais analógicos ou digitais, para
controlar sensores, relés, motores, etc.
No caso do um fotômetro, é preciso enviar um comando para enviar corrente continua a
um LED, usando uma porta digital, e receber seu sinal por um sensor de luminosidade,
usando uma entrada analógica. No caso de um turbidímetro, o funcionamento é semelhante ao
do fotômetro, mas será usado especificamente um LED infravermelho, alimentado por uma
entrada digital, e um sensor de infravermelho que receberá seu sinal, usando uma entrada
analógica, e pela leitura da variação desse sinal será possível definir quando a amostra começa
a ficar turva.
Para um sistema de autosampler por válvulas, é necessário digitar na porta serial um
código referente à qual válvula deve ser acionada para que o Arduino desligue as demais
válvulas e envie corrente somente a essa válvula. Nota-se que o Arduino só trabalha com
correntes de 3,3 ou 5V, então para controlar o acionamento de componentes como válvulas
que precisam de mais energia é preciso utilizar relés e alimentar as válvulas ou qualquer outro
componente com alta demanda de corrente por uma fonte externa. No caso do autosampler, o
Arduino liga e desliga os relés de cada válvula e não as válvulas em si.
Deve-se ter cuidado com o uso de vários relés simultaneamente, pois eles funcionam
geralmente por bobinas e a corrente reversa pode ser o suficiente para desarmar o Arduino,
logo é preciso utilizar um diodo por relé, nesses casos.
O Arduino deve ser programado, visto que ele só recebe e envia dados pela sua porta
serial que o usuário pode acessar pelo seu software, mas não tem como acessar dados
armazenados. Com o intuito de facilitar a comunicação do usuário com a máquina e verificar
dados armazenados, empregou-se o LabVIEW, um software da National Instruments de
linguagem gráfica de fácil aprendizado que consegue receber os dados do Arduino pela porta
serial e armazená-los além de possibilitar a comunicação de um usuário sem qualquer
conhecimento em computação com o Arduino. No LabVIEW os controles passam a ser
realizados por botões que definem o código que o LabVIEW enviará ao Arduino. Para tanto, é
preciso somente que a portal serial do Arduino seja inicializada no LabVIEW e ambas
estejam na mesma frequência. Os dados do fotômetro e turbidimentro são armazenados no
ambiente LabVIEW, para interpretação.
Conclusões
Sistemas de detecção foram desenvolvidos e testados, gerando maior eficiência para
alguns procedimentos por um baixo custo. O estudo realizado com o Arduino mostrou sua
versatilidade de uso e o LabVIEW se provou eficaz para comunicação de usuário com o
Arduino.
Referências
1 - http://www.arduino.cc/, acessado em 01/07/2015.