Primeiros
Passos
com Sensores
Kimmo Karvinen
Tero Karvinen
Novatec
Authorized Portuguese translation of the English edition of titled Getting Started with Sensors,
ISBN 9781449367084 © 2013 Tero Karvinen, Kimmo Karvinen published by Maker Media Inc.. This
translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., the owner of all rights to
publish and sell the same.
Tradução em português autorizada da edição em inglês da obra Getting Started with Sensors, ISBN
9781449367084 © 2013 Tero Karvinen, Kimmo Karvinen publicada pela Maker Media Inc.. Esta
tradução é publicada e vendida com a permissão da O'Reilly Media, Inc., detentora de todos os
direitos para publicação e venda desta obra.
© Novatec Editora Ltda. 2014.
Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610 de 19/02/1998.
É proibida a reprodução desta obra, mesmo parcial, por qualquer processo, sem prévia autorização,
por escrito, do autor e da Editora.
Editor: Rubens Prates
Tradução: Lúcia A. Kinoshita
Revisão gramatical: Marta Almeida de Sá
Editoração eletrônica: Carolina Kuwabata
ISBN: 978-85-7522-402-1 MP20140929
Histórico de impressões:
Outubro/2014
Primeira edição
Novatec Editora Ltda.
Rua Luís Antônio dos Santos 110
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Observação sobre figuras coloridas
Na página do livro, em novatec.com.br/catalogo/7522402-sensores, estão
disponíveis para download versões coloridas de algumas figuras do livro.
capítulo 1
Sensores
Você está cercado de sensores em seu cotidiano. O mundo está cheio
deles: de sensores infravermelhos passivos em detectores de movimento
a detectores de CO2 em sistemas de ar-condicionado e até mesmo minúsculos acelerômetros, módulos GPS e câmeras dentro de seu smartphone ou de seu tablet – os sensores estão por toda parte! A variedade
de aplicações com sensores é impressionante.
É seguro supor que, se um dispositivo eletrônico é considerado “inteligente”,
ele estará repleto de sensores (Figura 1.1). Com efeito, graças à proliferação
dos dispositivos inteligentes, especialmente de telefones, os preços dos
sensores estão se tornando mais acessíveis. Não só é economicamente
viável adicionar sensores sofisticados aos seus projetos como também eles
ampliam bastante os tipos de projeto que você pode desenvolver.
Você aprenderá a respeito dos sensores neste livro ao desenvolver pequenos projetos e refletir sobre a experiência. É mais divertido implementar
primeiro e depois discutir, porém ambas as atividades são igualmente
importantes. É melhor evitar a tentação de somente implementar o
projeto e pular as seções conceituais.
Começar a trabalhar com os sensores é fácil, e apenas o céu é o limite.
A eletrônica desafia alguns dos melhores cérebros diariamente e gera
inovações e novas dissertações. Por outro lado, até mesmo uma criança
pode começar a trabalhar com um pouco de orientação.
Se você não sabe muito a respeito de sensores ainda, tente se lembrar
de como você se sente agora. Depois de encarar alguns desafios e criar
alguns gadgets, muitos dos mistérios obscuros que cercam os sensores
provavelmente parecerão ser senso comum a você.
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Primeiros Passos com Sensores
Este livro é adequado para qualquer pessoa interessada em sensores
(veja a figura 1.2). Depois de criar os gadgets e de ter lido este livro, você
poderá ter ideias para projetos maiores que estão no nosso livro Make:
Arduino Bots and Gadgets (http://bit.ly/make-abg) ou poderá aprender sobre
sensores mais sofisticados em Make: Sensors (http://bit.ly/make-sensors). Para
uma visão mais ampla do básico, consulte Getting Started with Arduino, 2nd
Edition (http://bit.ly/Arduino_Started), de Massimo Banzi, Primeiros passos
com o Raspberry Pi (http://www.novatec.com.br/livros/raspberrypi/) de Matt
Richardson e Shawn Wallace ou Make: Electronics (http://bit.ly/make-elec)
de Charles Platt.
Figura 1.1 – Vários sensores: proximidade por infravermelho, rotação, brilho, botão,
temperatura e distância.
O que são sensores? Os sensores são componentes elétricos que funcionam como dispositivos de entrada. Nem todas as entradas são explicitamente sensores, porém quase todas elas utilizam sensores! Considere o
mouse ou o trackpad de seu computador, um teclado ou até mesmo uma
webcam; eles não são sensores, porém, certamente, usam sensores em
seus designs. De modo mais abstrato, você pode classificar os sensores
como um componente que serve para medir um estímulo externo ao sistema em que ele estiver (o seu ambiente). Os dados de saída são baseados
na medição. Por exemplo, ao digitar em um teclado, a letra que aparece
em sua tela (a saída) é baseada na medição (que tecla foi pressionada
no teclado). A quantidade de letras que aparecem na tela é baseada em
outra medição (o tempo que você manteve a tecla pressionada).
Capítulo 1 ■ Sensores
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Figura 1.2 – Uma conexão AND simples com botões, criada e projetada por um garoto
de quatro anos com a ajuda de um adulto.
O primeiro projeto utiliza um fotorresistor para medição de luz. Sem o
fotorresistor (ou um sensor semelhante), não há nenhuma maneira de
o circuito saber o quanto um ambiente está iluminado. Ao adicionar o
sensor, seu circuito saberá algo de que ele não tinha conhecimento antes.
Todos os projetos deste livro avaliam um estímulo em particular do
ambiente. Nada disso seria possível sem os sensores. Vamos começar a
implementação para que você possa conhecer os dados de entrada e de
saída que os sensores fornecem aos projetos.
Projeto 1: Fotorresistor para medição de luz
A luz em um ambiente é bastante informativa: o horário do dia pode
ser determinado de acordo com o ângulo do sol, dirigimos um carro de
forma mais segura à noite se as lanternas estiverem acesas e as pessoas
que não tomam sol o suficiente no dia a dia podem ficar deprimidas em
decorrência do transtorno afetivo sazonal (SAD, ou Seasonal Affective
Disorder). Desse modo, a luz exerce influência sobre diversos aspectos
de sua vida, e medi-la também pode ser divertido.
O sensor mais simples para detectar a luz é um fotorresistor. Não é incomum também encontrar outro nome para o mesmíssimo sensor: LDR
(Light-Dependent Resistor, ou Resistor dependente de luz). O componente funciona ao alterar sua resistência de acordo com a quantidade
de luz que incide sobre ele.
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Primeiros Passos com Sensores
Agora que você sabe qual é o sensor correto a ser usado, a próxima pergunta em que você deve pensar é como processar as medidas do sensor.
Se você já trabalhou com um LED (Light-Emitting Diode, ou Diodo
emissor de luz), mostrado na figura 1.3, deve saber que a resistência é
um aspecto importante do ponto de vista elétrico. Por exemplo, se você
já usou um resistor de valor mais alto que o solicitado por um projeto
para o LED, deve ter percebido que resistência demais pode impedir um
LED de acender. Essa mesma observação básica é aplicável a esse projeto.
Figura 1.3 – LEDs.
O circuito foi projetado de modo que um LED seja dependente da medida do fotorresistor. Se houver resistência demais, o LED simplesmente
não acenderá. Chega de discussão – é hora de implementar! A figura 1.4
mostra o projeto finalizado.
Figura 1.4 – O projeto do fotorresistor finalizado.
Peças
Você precisará das seguintes peças nesse projeto:
• Fotorresistor
Capítulo 1 ■ Sensores
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• LED vermelho de 5 mm (LEDs diferentes funcionarão de modo
diferente com esse circuito; mais adiante, você conhecerá uma
maneira mais sofisticada de fazer os LEDs se apagarem)
• Resistor de 470 Ω (resistor de quatro faixas – amarelo/violeta/
marrom; resistor de cinco faixas – amarelo/violeta/preto/preto; a
última faixa irá variar de acordo com a tolerância do resistor)
• Placa de teste (breadboard)
• Clip (conector) para bateria de 9 V
• Bateria de 9 V
Todas essas peças, exceto a bateria de 9 V e o resistor de
470 Ω, estão disponíveis na Maker Shed Mintronics: Survival
Pack (http://bit.ly/mintron-sp), com código de identificação do
produto igual a MSTIN2. Você pode usar dois resistores de
220 Ω em série ou um resistor de 1 kΩ no lugar do resistor de
470 Ω; ambos estão disponíveis em lojas de componentes
eletrônicos como a RadioShack.
Implemente
Aqui estão os passos para a implementação desse projeto:
1. Oriente a sua placa de teste para que ela seja mais larga do que
alta, como mostrado na figura 1.5.
Figura 1.5 – Diagrama do circuito para o projeto do fotorresistor.
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Primeiros Passos com Sensores
2. Observe o seu LED e determine qual terminal tem um lado achatado acima dele, no invólucro de plástico colorido – isso indica
o terminal negativo do LED (o terminal negativo também é o
mais curto dos dois), conforme mostrado na figura 1.6. Os LEDs
têm uma determinada polaridade, e colocá-los de forma invertida
poderá danificá-los.
Figura 1.6 – Perna negativa do LED.
3. Insira o fotorresistor para que o terminal negativo do LED e um
dos terminais do fotorresistor ocupem a mesma coluna. O segundo terminal do LED (positivo) deve ocupar sua própria coluna
por enquanto. Observe novamente a figura 1.5 para ver como eles
devem estar organizados.
Você vê a lacuna no meio da placa de teste na figura 1.7? Essa
lacuna separa os dois grupos de colunas e não há nenhuma
conexão passando por ela. Se você quiser que dois terminais
na mesma linha estejam conectados, certifique-se de que
eles estarão do mesmo lado em relação à lacuna.
4. Conecte o resistor de 470 Ω à coluna com o terminal positivo
do LED e garanta que não é a mesma coluna em que já está o
fotorresistor e o terminal negativo do LED. Certifique-se de que
o outro terminal do resistor esteja em uma coluna separada.
5. Conecte o fio preto do clip da bateria à coluna que contém somente
um terminal do fotorresistor.
Capítulo 1 ■ Sensores
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Figura 1.7 – Layout da placa de teste (breadboard).
6. Insira o fio vermelho do clip da bateria na coluna que contém
somente um terminal do resistor.
7. Confira novamente os passos e, se tudo estiver como o que está
sendo mostrado na figura 1.5, conecte a bateria de 9 V.
É isso. Você implementou seu primeiro circuito com sensor. Parabéns!
Discussão: fotorresistores
Pode parecer que o circuito não está fazendo muita coisa. Isso ocorre
porque os níveis de luz provavelmente não mudaram muito em sua sala.
Coloque o seu dedo sobre o fotorresistor e observe atentamente o LED.
Parece ter havido alguma alteração no LED? Deverá ocorrer alguma mudança em seu brilho. Tente expor o fotorresistor a mais luz. O contrário
ocorre, certo? Agora que você já viu o fotorresistor em ação, como você
descreveria o que está ocorrendo quando o fotorresistor é exposto a mais
luz no que diz respeito à sua resistência? A resistência está aumentando
ou está diminuindo quando o sensor é exposto a mais luz?
Eis o que está acontecendo no circuito. Quanto mais luz incidir sobre o
fotorresistor, menor será a resistência. Se a sala estiver bem iluminada, o
LED ficará bem brilhante. Se houver pouca luz na sala, o sensor resistirá
ao fluxo de corrente, o que é expresso pela luz do LED ficando mais fraca.
O fluxo de corrente pelo sensor controla a intensidade do brilho do
LED. Isso ocorre porque o circuito está conectado de modo que toda a
corrente para o LED deve passar inicialmente pelo fotorresistor.
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Primeiros Passos com Sensores
O fotorresistor, como você acabou de aprender, é um sensor
resistivo. Há vários tipos de sensores resistivos; essa classe de
sensores resistivos é usada para medir muito mais do que a
luminosidade. À medida que você continuar a leitura e
conhecer novos sensores, será uma boa ideia pensar em
como os estímulos são medidos e, especialmente, em como
a saída é estruturada. Nenhum dos sensores irá gerar dados
de saída que estejam em um formato conveniente para
serem consumidos pelo usuário final. Será necessário decidir
a maneira de expressar ou de formatar os dados de saída
puros do sensor de modo que eles façam sentido para os
usuários.
Outro tipo de sensor é o sensor eletromecânico. Esses sensores não manifestam alterações em voltagem ou corrente, porém sofrem alterações
em suas propriedades físicas. O termostato em sua casa ou em seu
apartamento é um ótimo exemplo (a menos que você tenha um termostato digital). Quando a temperatura de uma sala se altera, a bobina
bimetálica de um termostato irá se expandir ou se contrair de acordo
com o aumento ou a diminuição da temperatura da sala. O sensor, na
realidade, estará se expressando fisicamente ao alterar o seu formato!
Porém até mesmo esses sensores podem acionar um sensor eletrônico
(por exemplo, a bobina bimetálica de um termostato normalmente está
conectada a um sensor de inclinação que liga ou desliga o aquecedor).
Controle interativo dos sensores
O “Projeto 1: Fotorresistor para medição de luz” na página 19 utilizou
um sensor de uma maneira que não envolveu diretamente uma interação
com um ser humano. É claro que foi você quem alterou a intensidade
da luz na sala para forçar o fotorresistor a alterar a sua resistência, porém poderia muito bem ter sido o sol nascendo ou se pondo. Existem
vários sensores que serão diretamente manipulados; você os verá nos
próximos capítulos.
Capítulo 1 ■ Sensores
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Prosseguindo
Em todos os projetos deste livro, você implementará pequenos sistemas
que coletam dados de entrada por meio de medições efetuadas com um
sensor. Os sistemas farão algo que processará esses dados de entrada
e, em seguida, executarão uma ação (a saída do sistema). Inicialmente,
iremos apenas criar algo usando componentes eletrônicos, porém, mais
adiante neste livro, usaremos o Arduino e o Raspberry Pi para cuidar
do processamento.
Ao usar o Arduino e o Raspberry Pi, criaremos códigos que executarão
muitas tarefas para nós. A vantagem será bastante evidente, pois você
perceberá que poderá alterar o modo de responder a uma entrada sem
a necessidade de reconstruir o seu circuito.
Suponha que você queira desafiar o seu amigo para ver quem consegue
pressionar um resistor para detecção de força com mais firmeza. Tudo
o que você terá de fazer é adicionar algumas linhas extras de código ao
sketch do Arduino e enviar o novo código. Como você faria o mesmo
truque se não tivesse a opção de alterar o código? Certamente, seria
mais desafiador e, no mínimo, seria necessário mover alguns itens de
lugar na placa de teste. E como você apresentaria a pontuação referente
ao resultado da competição? O fato é que o Arduino cuida de boa parte
do trabalho para você!
No entanto essa não é toda a história no que diz respeito aos sensores.
Não queremos que você pense que, à medida que a complexidade física
dos sistemas com sensores aumentar, seus programas se tornarão mais
complicados. Em vez disso, queremos que você pense nisso como uma
questão de aplicação: qual é o melhor design para atingir o seu objetivo?