MODULE FOR ACQUIRING ANALOG SIGNALS USING THE ARDUINO PLATFORM: A DIDACTIC APPLICATION IN TEMPERATURE MONITORING IN THE CONDUCTION HEAT TRANSFER PROCESS
REGISTRO DOI:10.5281/zenodo.10395601
Márcio P. S. Carvalho1,2
Leizer Schnitman2
Márcio Fontana2
Neste artigo é descrito o desenvolvimento de um módulo microcontrolado para ser utilizado como ferramenta na aquisição de dados de grandezas analógicas aplicado na medição da temperatura de um processo didático de transferência de calor por condução. Para isso, foram utilizados um conversor analógico para digital externo, um microcontrolador Arduino, sensores de temperatura LM35 e alguns componentes auxiliares. Um setup experimental didático foi construído para demonstração da utilidade do módulo. A ferramenta proposta apresenta quatro canais aos quais podem ser conectados quatro sensores que medem diferentes tipos de grandezas analógicas.
Palavras chaves: aquisição de dados, Arduino, transferência de calor, grandezas analógicas
This article describes the development of a microcontroller module to be used as a tool in the acquisition of data of analog quantities applied in the measurement of the temperature of a didactic process of heat transfer by conduction. In order to make it possible, an external analog to digital converter, an Arduino microcontroller, LM35 temperature sensors and some auxiliary components were used. A didactic experimental setup was built to demonstrate the usefulness of the module. The proposed tool presents four channels. Four sensors that measure different types of analog quantities can be connected to them.
Keywords: data acquisition, Arduino, heat transfer, analog quantities
1. Introdução
A observação e quantificação de fenômenos físicos são indispensáveis para a compreensão e integração da teoria com a prática. Dessa maneira, grandezas analógicas são frequentemente medidas em laboratório com finalidade didática, para fins de monitoramento, controle de um determinado processo ou ainda para fins de pesquisa científica. Dentre as grandezas analógicas, a temperatura apresenta destaque em função da sua forte influência nas propriedades físicas e químicas de alguns materiais ou processo. Ela também pode ser considerada como parâmetro de qualidade na fabricação de um determinado produto ou como indicador de segurança em um equipamento ou dispositivo. Além disso, a temperatura é utilizada como parâmetro indicador no estudo de transferência de energia térmica. Portanto, a medição da temperatura e análise dos dados é fundamental para a correta interpretação de muitos fenômenos físicos. No entanto, sistemas comerciais para aquisição de dados de grandezas analógicas geralmente apresentam alto custo, podem ser super estimados para o uso em laboratório com finalidade didática e não apresentam a possibilidade de adequação da resolução de conversão a diversas faixas de medição. Nesse sentido, a plataforma Arduino pode ser utilizada como uma alternativa de simples implementação e de baixo custo para aquisição de dados visando experimentos didáticos (PEREIRA; DA SILVA, 2021). Ela possibilita automatizar a aquisição de dados da temperatura e de outras grandezas analógicas eliminando tarefas repetitivas além de diminuir as fontes de erros no processo de aquisição dos dados.
O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre associada com uma linguagem de programação e um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) (BLUM, 2013). Dentre os diversos modelos, o Arduino nano é um dos mais utilizados. Ele é baseado em um microcontrolador ATMega328 que, dentre outros periféricos, apresenta um conversor analógico para digital (ADC) com 10 bits de resolução, comunicação I2C e comunicação serial com outros dispositivos. O arduino é amplamente utilizado, resultando em uma extensa lista de exemplos. Diversos trabalhos são encontrados na literatura relatando a utilização do arduino em experimentos didáticos ou no monitoramento de grandezas analógicas em aplicações específicas. Por exemplo, na aquisição de dados em um luxímetro digital (PEREIRA et al., 2021), no monitoramento dos parâmetros de secagem de produtos agrícolas (PAES et al., 2022), na construção de gráficos de movimento em tempo real com o auxílio do software PLX-DAC (DWORAKOWSKI et al., 2016), no monitoramento da temperatura e humidade em colmeias (SÁNCHEZ et al., 2015), dentre outros trabalhos (CARDOSO; ZANNIN, 2019; GUADAGNINI; ROCHA; BARLETTE, 2019; NASCIMENTO JÚNIOR; BORGES; NASCIMENTO, 2019).
A resolução de conversão de um sinal digital obtido pelo arduino pode ser aumentada através da utilização de um dispositivo ADC externo. O ADS1115 é um ADC que facilita a tarefa de aquisição e conversão de grandezas analógicas para o formato digital de maneira simples e versátil. De acordo com fabricante (INSTRUMENTS, 2018) esse dispositivo incorpora um ADC que opera no modo ƩΔ e um amplificador de ganho programável, é compatível com o protocolo de comunicação I2C, possui uma referência de tensão de baixa deriva, pode ser utilizado no modo de ponto simples (quatro canais) ou no modo diferencial (dois canais) e apresenta resolução de 16 bits. Na prática, o bit mais significativo é utilizado para determinar a polaridade do sinal de entrada uma vez que esse ADC pode realizar a conversão de sinais negativos quando opera em modo de entrada diferencial. Portanto, ele dispõe somente de 15 bits para a conversão analógico digital. Além dessas funcionalidades o ADS1115 apresenta baixo consumo e precisão na conversão.
Em função de um amplificador de ganho programável (PGA – programmable gain amplifier) embarcado, o ADS1115 pode operar em seis faixas de tensão de entrada, em quatro canais individuas, configurando apenas o ganha do PGA como o mostra a Tabela 1. A taxa de amostragem também é selecionada via código e pode ser setada para 8, 16, 32, 64, 128, 250, 475 e 860 Hz (INSTRUMENTS, 2018). Isso permite versatilidade na medição de grandezas analógicas. Em outras palavras, o usuário pode sincronizar a faixa de conversão para a faixa de tensão que se pretende medir aproveitando ao máximo a resolução do conversor.
Tabela 1 – Características de operação do ADS1115
| Entrada (mV) | 0 a 256 | 0 a 512 | 0 a 1024 | 0 a 2084 | 0 a 4096 | 0 a 6144 |
| Ganho PGA | 16x | 8x | 4x | 2x | 1x | 2/3x |
| Tensão/bit (mV/bit) | 0,0078125 | 0,015625 | 0,03125 | 0,0625 | 0,125 | 0,1875 |
O presente trabalho tem como objetivo descrever a construção de um módulo de aquisição de dados simples e de baixo custo para a utilização na medição de grandezas analógicas em experimentos didáticos ou de trabalhos acadêmicos e demonstrar sua aplicação na medição da temperatura em um experimento relacionado à transferência de calor por condução. Na seção 2 são descritos os materiais e métodos utilizados na construção do módulo e na seção 3 são descritos o processo de transferência de calor unidimensional por condução, o setup experimental montado bem como os resultados do experimento. A seção 4 trata as considerações finais.
2. Construção do módulo de aquisição
O módulo de aquisição de dados proposto, mostrado nas Figuras 1 e 2, foi concebido para ser simples, porém versátil e prático destinado ao uso da aquisição de dados em experimentos didáticos. Ele é composto por três partes: Um microcontrolador Arduino modelo nano, um ADS1115 e softwares.
2.1 Hardware
O arduino gerencia o todo o processo de conversão e aquisição, condicionamento e armazenamento dos dados. O ADS1115 é o componente central do módulo aquisição. Ele é responsável por realizar a amostragem, através dos pinos de entradas analógicas (A0, A1, A2 e A3), e a conversão dos sinais analógicos para o formato digital. A comunicação entre o arduino e o ADS1115 é realizada pelo protocolo I2C cujo periférico está disponível nos pinos A4 e A5 do arduino. Os dois resistores de 4,7 kΩ conectados ao barramento e ao pino 5V do arduino mantém a tesão em nível alto no barramento. O pino de endereço do conversor foi conectado ao GND e nesse caso, o endereço utilizado é o 0x48. O módulo é alimentado pela conexão com o PC através da porta USB facilitando seu uso. Dependendo da corrente consumida, dispositivos externos podem ser alimentados pelo módulo.
Figura 1: Diagrama esquemático de montagem e de ligação entre o arduino e o ADS1115.
Figura 2: Foto ilustrativa do módulo de aquisição de dados montado.
2.2 Softwares
Foi utilizado o ambiente de desenvolvimento integrado do Arduino para escrever o software embarcado que gerencia o funcionamento do módulo (código em anexo). As funcionalidades do ADS1115 foram acessadas utilizado a biblioteca Adafruit_ADS1X15 (“Adafruit_ADS1X15”, 2023) que pode ser baixada livremente pela IDE do Arduino. Através dessa biblioteca foram configurados o ganho do amplificador programável (a faixa de tensão a ser medida), a taxa de amostragem e o modo de leitura dos canais. Os sensores de temperatura utilizados (descritos na seção 3), apresentam uma tensão de saída na faixa de 20 a 1500 mV. Portanto, o amplificador de ganho programável foi configurado para faixa de 0mV a 2048mV, a taxa de amostragem foi configurada para 64 Hz e o modo de leitura de ponto simples foi utilizado. Uma vez realizada a aquisição e a conversão do sinal para digital, o número de bits resultante foi multiplicado pelo fator de ganho conforme tabela 1, para a obtenção da tensão em mV.
Para o armazenamento dos dados foi usado o software PLX-DAC (PARALLAX INC, ) de acordo com procedimentos dados em (DWORAKOWSKI et al., 2016) e (ODERLANDO SILVA, ). O PLX-DAQ é uma extensão que pode ser baixada, livremente, diretamente do site da Parallax Inc e ser usada em conjunto com qualquer microcontrolador que possua interface serial. Ele possui diretivas que devem ser enviadas pelo microcontrolador que são interpretadas e utilizadas para armazenar os dados na planilha do Microsoft Excel. Com o PLX-DAQ também é possível a geração de gráficos em tempo real.
3. Experimento para monitoramento da temperatura
Geralmente o estudo de transferência de calor é realizado em disciplinas de física e em fenômenos de transportes em alguns cursos de engenharia. Sendo assim, para validar o funcionamento e demonstrar uma possível aplicação do módulo de aquisição, foi montado um setup experimental em nível didático com o objetivo de obter a temperatura em dois lados de um isolante térmico submetido a uma diferença de temperatura, simulando o exemplo de uma parede plana. Esse exemplo é utilizado na literatura (BERGMAN et al., 2014) para exemplificar a transferência de calor pelo mecanismo de condução.
3.1 Transferência de calor em uma parede plana
O processo de transferência de calor é modelado pela lei de Fourier e pode ser descrito pela equação (1) quando o problema é analisado por uma perspectiva unidimensional, a qual será adotada neste trabalho.
onde: 
representa a taxa de transferência de calor na dimensão e no sentido positivo,
é o coeficiente de condutividade térmica do meio de propagação do calor, A(m2) é a área da seção transversal do meio de propagação do calor e dT/dx representa o gradiente de temperatura na direção x. O sinal negativo no lado direito é necessário, uma vez que o fluxo de calor ocorre sempre da superfície de maior temperatura para a superfície de menor temperatura.
Se o processo de transferência de calor analisado ocorrer em uma parede plana e em regime estacionário a distribuição de temperatura na direção x é linear. Dessa maneira, o gradiente de temperatura da equação (1) pode ser simplificado e representado pela equação (2). A Figura 3 ilustra essa condição.
onde: T1 é a temperatura no lado que recebe o fluxo térmico, T2 representa a temperatura no lado oposto e L é a largura da parede.
Figura 3 – Representação esquemática do perfil de temperatura uma parede plana para o processo de transferência de calor unidimensional.
Portanto, a equação (1) pode ser reescrita resultando na equação (3) que é utilizada para calcular a taxa de transferência de calor. O fluxo térmico qx(W.m-2) pode ser calculado pela equação (4) se os parâmetros pertinentes à parede plana forem conhecidos. =
3.2 Materiais utilizados
Como fonte de calor foi utilizada uma placa aquecedora similar à de uma impressora 3D, que apresenta dimensões de 150mm x 200mm x 1,6mm e dissipa calor por efeito Joule. O acionamento da placa foi realizado por um driver controlado por modulação por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation) composto por dois transistores de efeito de campo AOD4184A que pode controlar tensões de até 40Vcc e correntes de até 50A conforme dados declarado pelo fabricante (ALPHA & OMEGA SEMICONDUCTOR, 2009). O sinal PWM para o acionamento do driver foi obtido por um gerador de funções (Rigol, modelo DG822, China). Os parâmetros da onda quadrada foram setados com amplitude de pico a pico de 3,3Vcc, offset de 1,650 Vcc, ciclo ativo de 10% e frequência de 1kHz definidos por ensaios preliminares. Foi utilizada uma fonte de tensão de 12Vcc para alimentar a placa aquecedora que forneceu 1,045 A (medido experimentalmente) para a placa. A distribuição de temperatura na placa em regime estacionário foi considerada uniforme como mostrado na imagem térmica na Figura 4.
Figura 4 – Distribuição de temperatura em regime estacionário da placa aquecedora.
Para demonstrar a queda de temperatura e a perda de calor que ocorre em uma parede plana foi utilizado um bloco do isolante térmico poliestireno extrudado (XPS – extruded polystyrene) de 150mm x 200mm totalizando uma área de seção transversal A = 0,03 m2 com uma espessura L = 0,02m. O XPS apresenta condutividade térmica k = 0,029 W·m-1·k-1 (AN et al., 2018). Contudo, as seguintes considerações foram feitas:
– A transferência de calor na parede ocorre em regime estacionário.
– Condução unidimensional através da parede.
– A condutividade térmica da parede é constante.
– Foram desconsideradas outras formas de transferência de calor.
A medição da temperatura dos dois lados da parede plana foi realizada por dois sensores LM35. Esse dispositivo é um circuito integrado que contém um sensor analógico de temperatura e seu respectivo circuito de condicionamento incorporado em um mesmo encapsulamento e que opera em uma faixa de tensão de alimentação de 4 V a 30 V, é calibrado na escala celsius e apresenta uma sensibilidade de 10mV/°C. O LM35 pode medir a temperatura na faixa de 2°C a 150°C com precisão de ±0,75°C. Em 25°C sua tensão de saída é de 250mV e varia linearmente em função da temperatura em toda faixa de medição com um erro de linearidade máximo de ±0,25°C (dados declarados pelo fabricante) (TEXAS INSTRUMENT TEAM, 2017). Além disso, o LM35 apresenta baixa impedância de saída, facilitando seu interfaceamento com ADCs em diversas aplicações com microcontroladores sem a necessidade de componentes externos. O setup experimental montado é mostrado na Figura 5. Os dados de temperatura foram adquiridos em intervalos de tempo de 1 s com resolução de 0,1°C.
Figura 5 – Foto ilustrativa do setup experimental para a medição da temperatura de um processo de transferência de calor unidimensional por condução. 1 – Parede plana (Isolante térmico XPS), 2 – Placa aquecedora, 3 – Driver PWM AOD4184A, 4 – Fonte de corrente contínua, 5 – Gerador de funções, 6 – Módulo de aquisição de dados e 7 – Sensores de temperatura.
3.3 Análise dos resultados
O gráfico mostrado na Figura 6 se refere aos dados da variação de T1 e T2 na parede plana da Figura 5 após a aplicação de uma perturbação em degrau (PWM com 10% ciclo ativo) na placa aquecedora. As temperaturas inicias para T1 e T2 foram, ambas, 25,5 °C. Considerando que depois de 2200 s a temperatura entra em regime estacionário, pode-se então calcular, através da equação (3), a taxa de transferência de calor. As temperaturas nesse tempo são T1 = 44,0°C e T2 = 33,9°C. Assim, a taxa de transferência de calor estimada é de aproximadamente 0,44 W. O fluxo térmico também pode ser estimado, utilizando a equação (4), como sendo 14,6 W·m-2.
Figura 6 – Perfil de temperatura nos dois lados da parede plana durante o aquecimento de um de seus lados.
As curvas que descrevem o comportamento de T1 e T2 são semelhantes às de sistemas térmicos típicos de primeira ordem. No entanto, a curvatura inicial de T1 nos leva a entender que o comportamento é de ordem superior, sendo possível aproximar por um sistema de primeira ordem. Nota-se o atraso na resposta de T2 no início do processo de aquecimento da placa. Esse atraso de transporte é, possivelmente, em função da resistência à condução de calor (resistência térmica) oferecida pela parede plana. Essa resistência é um parâmetro inerente ao material que compõem a parede e ela depende do coeficiente de transferência de calor. A resistência térmica da parede resultou em uma queda de temperatura de aproximadamente 10°C.
Os dados experimentais de T1 e T2 foram ajustados por modelos de primeira ordem pelo método FOPDT (Frist Order Plus Dead Time) (SMITH; CORRIPIO, 2008). Na Figura 7 é mostrado o resultado gráfico dessa aproximação. As equações (5) e (6) representam as funções de transferência, no domínio de Laplace, dos modelos de primeira ordem com atraso de transporte ajustados para os dados experimentais de T1 e T2 respectivamente. A vantagem de utilizar um modelo FOPDT para representar a dinâmica de determinado processo é que ele o caracteriza com apenas três parâmetros, sendo eles o ganho do processo, o tempo morto e a constante de tempo que são obtidos através dos dados experimentais gerados por um teste de degrau.
Figura 7 – Ajuste de modelos FOPDT aos dados experimentais das temperaturas T1 e T2.
Isolando na equação (3), substituindo
=
e L por x obtém-se a equação (7) que fornece a temperatura em função de x.
A equação (7) descreve o perfil de temperatura na parede em relação ao à dimensão x em regime estacionário. Como mostrado na Figura 8, esse perfil de temperatura foi linear e decrescente como preconizado pela literatura (BERGMAN et al., 2014). O coeficiente de inclinação da reta é de 0,505 °C/mm. Ou seja, há uma diminuição de temperatura de 0,505 °C a cada milímetro de espessura da parede.
Figura 8 – Gradiente de temperatura na parede plana na dimensão x.
4. Considerações finais
Muitos temas relacionados ao ensino de física e engenharia necessitam de medição para constatação ou verificação do que é ensinado na teoria. O módulo proposto neste trabalho pode ser utilizado como ferramenta para complementação de atividades didáticas em laboratórios que necessitam da aquisição de sinais de grandezas analógicas para as mais diversas finalidades, inclusive na caracterização de processos e/ou controladores. Dada a versatilidade do ADS1115 o módulo permite a aquisição de outras grandezas como por exemplo pressão, nível de tanques, luminosidade, concentração, dentre outras, pelo uso de sensores comerciais ou por sistemas de medição personalizados de acordo com a necessidade do processo a ser medido. Outra vantagem é que devido ao fato de os softwares utilizados serem livres e o hardware empregado ser de baixo custo, o módulo de aquisição proposto torna-se bastante acessível. Além disso, ele não necessita de fonte de alimentação externa, o que o torna um dispositivo portátil sendo de grande utilidade para a aquisição de dados em campo.
Agradecimentos
Os autores agradecem à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, à Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado da Bahia pelo apoio financeiro para realização desse trabalho e à concessão de bolsa.
Material suplementar
Código Arduino.
#include <Adafruit_ADS1X15.h>
Adafruit_ADS1115 ads;
const float fatorGAIN_TWOTHIRDS = 0.1875;
const float fatorGAIN_ONE = 0.125;
const float fatorGAIN_TWO = 0.0625;
const float fatorGAIN_FOUR = 0.03125;
const float fatorGAIN_EIGHT = 0.015625;
const float fatorGAIN_SIXTEEN = 0.0078125;
float AN0, AN1, AN2, AN3;
void setup(void)
{
Serial.begin(115200);
// ads.setGain(GAIN_TWOTHIRDS); // 2/3x gain 6.144V 1 bit = 0.1875mV (default)
// ads.setGain(GAIN_ONE); // 1x gain 4.096V 1 bit = 0.125mV
ads.setGain(GAIN_TWO); // 2x gain 2.048V 1 bit = 0.0625mV
// ads.setGain(GAIN_FOUR); // 4x gain 1.024V 1 bit = 0.03125mV
// ads.setGain(GAIN_EIGHT); // 8x gain 0.512V 1 bit = 0.015625mV
// ads.setGain(GAIN_SIXTEEN); // 16x gain 0.256V 1 bit = 0.0078125mV
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_8SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_16SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_32SPS);
ads.setDataRate(RATE_ADS1115_64SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_128SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_250SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_475SPS);
//ads.setDataRate(RATE_ADS1115_860SPS);
if (!ads.begin()) {
Serial.println(“Failed to initialize ADS.”);
while (1);
}
Serial.println(“CLEARDATA”);
Serial.println(“LABEL, Hora, T1, T2”);
}
void loop(void)
{
AN0 = (ads.readADC_SingleEnded(0)* fatorGAIN_TWO)/10;
AN1 = (ads.readADC_SingleEnded(1)* fatorGAIN_TWO)/10;
//AN2 = (ads.readADC_SingleEnded(2)* fatorGAIN_TWO)/10;
//AN3 = (ads.readADC_SingleEnded(3)* fatorGAIN_TWO)/10;
Serial.print(“DATA,TIME,”);
Serial.print(AN0, 1);
Serial.print(“,”);
Serial.println(AN1, 1);
//Serial.print(“,”);
//Serial.print(AN2, 1);
//Serial.print(“,”);
//Serial.println(AN3, 1);
//delay(1000);
}
Referências
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1Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia Baiano, Salvador, Bahia, Brasil;
2Programa de pós-graduação em Mecatrônica – Universidade Federal da Bahia, Salvador, Bahia, Brasil