I Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas

Protótipo e roteiro desenvolvidos por Prof. Rafael Pezzi, Leonardo Alves, Renan Bohrer da Silva, Lucas Leal.

Este roteiro está disponível sob os termos da licença Creative Commons – Atribuição – Compartilhaigual 3.0 Não Adaptada

Roteiro referente à I Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas. O projeto é Financiado pelo Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Introdução

Este é um breve roteiro das atividades propostas para a I Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas oferecida pelo Centro de Tecnologia Acadêmica.

A I Oficina de Montagem de Estações Meteorológicas faz parte de um projeto que tem como objetivo a formação de uma rede de sensores para o monitoramento climático e ambiental do planeta. É um projeto que está em pleno desenvolvimento, tendo criado um protótipo inicial com sensores de luminosidade, temperatura, pressão e umidade relativa do ar - de custo relativamente baixo. A oficina engloba os elementos para a montagem deste protótipo, facilitando a todos os interessados a participarem no seu desenvolvimento.

O Arduino foi escolhido como plataforma de desenvolvimento da estação meteorológica por ser hardware livre e apresentar uma grande comunidade de desenvolvedores e entusiastas em todo o mundo, inclusive em português.

Uma das potencialidades do Arduino é a possibilidade combinar diversos sensores, processando seus sinais ao mesmo tempo, e obter um panorama cada vez mais apurado do ambiente em que se encontra. Trilharemos essa trajetória passo a passo, adicionando cada vez mais sensores.

Arduino

O Arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido. Pode ser usado para o desenvolvimento de objetos interativos independentes, ou ainda para ser conectado a um computador hospedeiro. (Fonte: Wikipédia)

Conecte o Arduino no computador, selecione o modelo da Placa (em Ferramentas -> Placa) e a porta serial de comunicação, tipicamente ttyUSB0 (em Ferramentas -> Porta Serial). Com a configuração correta, os programas podem ser compilados e enviados ao Arduino pressionando o botão "Carregar" na interface do computador.

Sensores básicos

Sensor de Temperatura LM35

O LM-35 é um dos sensores de maior facilidade de utilização com o Arduino. Consiste de um elemento sensor semicondutor acoplado a um circuito integrado que fornece uma tensão de saída proporcional a temperatura do elemento na proporção de 10 mV/oC. Utilizaremos da alimentação providenciada pelo próprio Arduino e uma de suas portas analógicas para efetuar a medida do sinal enviado pelo sensor.

Olhando de frente para a parte plana do LM-35 temos da esquerda para a direita: o pino de alimentação de 5 V; o pino central que oferece um sinal de saída cuja tensão é proporcional à temperatura e será conectado à uma entrada analógica do Arduino e finalmente o pino da direita é o terra. A figura abaixo ilustra esta montagem em um protoboard.

Imagem de circuito apenas com o LM-35
Figura 1: Montagem de um sensor LM-35 conectado ao Arduino

Com essa configuração montada, podemos acompanhar na Serial da IDE do Arduino. A temperatura é enviada regularmente pelo Arduino, com intervalo de tempo que pode ser configurado no programa abaixo. A implementação deste sensor pode ser feita em poucos minutos, que fantástico!

Programa: Medidor_LM35.ino

Sensor de Luminosidade

Começamos adicionando um LDR, Light Dependent Resistor (ou seja, resistor dependente de luz), para medir a luminosidade em uma escala de 0 a 1023, que é a resolução do nosso microcontrolador de 10 bits. Montamos o LDR e um resistor como um divisor de tensão, colocando-o em série com um resistor, alimentando circuito com 5 V e conectando a trilha entre os dois a uma entrada analógica do Arduino (como na figura abaixo). Quanto maior a luminosidade, maior será a diferença de potencial elétrico no LDR e maior será a entrada do sinal analógico. Portanto, 1023 corresponde ao máximo de luminosidade. Já temos dois sensores operando em equipe! Preste atenção nas cores dos resistores disponibilizados. O de 2k2, utilizado nesta configuração, se parece com esse.

Programa: LDR_LM35.ino
Figura 2: Montagem de um sensor LM-35 e um LDR conectados ao Arduino

Tópicos Avançados

Tendo completado a utilização de dois sensores simples com medições periódicas, vamos programar o Arduino para receber comandos do computador para realizar as medidas conforme solicitado. Isto é feito programando o Arduino para atuar em modo de espera de comandos pela porta serial. Ao receber um comando específico, que consiste de caracteres individuais, o Arduino executa uma função pré determinada, acionando a leitura de uma medição de um sensor e a apresentação da resposta pela porta serial.

Os esquemas apresentados abaixo utilizam o programa completo da versão atual da estação Meteorolog, disponível aqui - meteorolog.ino

BMP085

O BMP 085 consiste de um sensor de pressão barométrica e temperatura. Este sensor também resulta em um aumento da resolução da medida de temperatura. Isso porque o BMP-085 apresenta uma melhor resolução quando conectado diretamente ao Arduino. Conectamos esse sensor na protoboard com os conectores voltados para o topo. Da esquerda para a direita conectaremos as trilhas da seguinte maneira: a primeira vai ligada ao 3.3 V, a segunda vai no terra, as duas do meio não serão utilizadas. A penúltima vai ligada à entrada analógica A5 e a última vai ligada à entrada analógica A4. Notem que essas duas últimas portas são específicas, e não apenas pelo programa que estamos usando, essas entradas são destinadas ao SDA e SCL (que são respectivamente a última e a penúltima saídas do sensor) no Arduino. SDA e SCL são portas do sistema "I²C"https://pt.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C, que é um tipo particular de barramento serial de entrada única, ou seja, uma forma de controlar entradas de dados por uma única porta. Mas você não precisa se preocupar com isso, por enquanto fique tranquilo conectando as coisas nos lugares certos que tudo correrá bem. Feito isso já temos nosso projeto de estação utilizando um sensor apurado e versátil!

Imagem de circuito com BMP-085
Figura 3: Montagem de um módulo BMP 085, sensor de pressão barométrica e temperatura, conectados a um Arduino

Sensor de Umidade do Ar DHT11

Agora, para terminar a montagem da nossa estação meteorológica basta adicionar um sensor de umidade, no nosso caso o DHT11. Como sua protoboard deve estar meio conturbada (pode ir se acostumando com isso, esse é o estado natural de protoboards), abaixo está um esquema das conexões do DHT11. Abstraia o resto do circuito e monte-o de acordo com o sistema. Posicionando-o com a parte aberta voltada para você, conecte da esquerda para a direita: primeiro o conector com a alimentação em 5 V, que vai em série com um resistor de 4.7 kohms, que por sua vez vai conectado ao segundo conector, que liga-se com o pino digital indicado em seu programa (D4 por padrão), então temos um conector que não é usado, e o último vai aterrado. O resistor de 4k7 tem essas cores.

Imagem do circuito específico para o DHT11
Figura 4: Montagem de um sensor DHT11, que mede temperatura e umidade relativa do ar, conectado a um Arduino

Estação Meteorológica completa

Feito isso você já tem seu próprio protótipo de estação meteorológica em funcionamento! Estão sendo medidos a cada minuto pressão, luminosidade, umidade e temperatura por dois sensores diferentes (o DHT11 também provêm uma medida de temperatura, menos apurada). Você pode ler em sua tela através da porta serial, com alguns comandos, cada um desses parâmetros, comparar as medidas de temperatura dos nossos dois sensores, tentar fazer relações entre as medições de diferentes grandezas. E que tal armazenar esses dados? E quem sabe fazer mais estações e espalhá-las em diferentes locais da sala? Teremos medições de diferentes parâmetros ponto a ponto. Pense nisso agora em maior número numa cidade. E pense em dados ambientais sendo enviados a todo momento com informações ponto a ponto nessa cidade. E pense se não podemos com isso interagir melhor com o mundo que nos cerca, entendê-lo, prevê-lo e remediá-lo. Essa é a filosofia da Estação Meteorológica. Você já é capaz de construir uma! E aí, gostou?

Imagem de circuito completo da estação meteorológica
Figura 5: Imagem da montagem do protótipo atual da estação meteorológica

LDR_LM35.ino (676 Bytes) Lucas Leal, 14/05/2013 16:38

Medidor_LM35.ino (542 Bytes) Lucas Leal, 14/05/2013 16:38

meteorolog_passo1_bb.png - Imagem de circuito apenas com o LM-35 (74.1 kB) Renan da Silva, 17/05/2013 17:08

meteorolog_passo2_bb.png (65.3 kB) Renan da Silva, 17/05/2013 17:08

meteorolog_passo3_bb.png - Imagem de circuito com BMP-085 (37.5 kB) Renan da Silva, 17/05/2013 17:09

meteorolog_passoalternativo_bb.png - Imagem do circuito específico para o DHT11 (48.8 kB) Renan da Silva, 17/05/2013 17:10

meteorolog-gama_bb.png - Imagem de circuito completo da estação meteorológica (48.3 kB) Renan da Silva, 17/05/2013 17:10

Roteiro_1.1.odt (88.8 kB) Rafael Pezzi, 18/03/2014 12:10

Roteiro_1.1.pdf (285.4 kB) Rafael Pezzi, 18/03/2014 12:10

Roteiro_1.odt (87.8 kB) Rafael Pezzi, 18/03/2014 12:10

Roteiro_1.pdf (277.4 kB) Rafael Pezzi, 18/03/2014 12:10