Realizamos um estudo acerca da utilização de sensores de distância no desenvolvimento de um anemômetro ultrassônico. Para isso usou-se dois tipos de sensores com características semelhantes aos transdutores ultrassônicos encontrados nos anemômetros comerciais (Frequência na faixa de 40kHz e transdutores que operam como emissor e receptor) .
O primeiro sensor de distância estudado foi HC-SR04 (Ver Fig. 16). Ele funciona emitindo um trem de pulsos na faixa do ultrassom com frequência de 40 kHz. A distância é calculada com base no tempo de trânsito do pulso que é refletido pelo objeto no qual se estima a distância.
Como pode ser visto na Fig. 16 o sensor HC-SR04 possui os dois transdutores em um mesmo lado. Outro sensor de distância usado neste trabalho foi o LV – Maxsonar-EZOTM. O cálculo da distância ocorre de forma análoga ao sensor HC-SR04. Porém este é constituído de apenas um transdutor (ver Fig. 17). Nesse caso um mesmo transdutor funciona como emissor e receptor. A frequência de trabalho é de 42 kHz.
Várias montagens foram testadas buscando a melhor configuração para medição da velocidade do vento. A primeira montagem com anteparo se baseia no tempo de trânsito da onda sonora, emitida por um transdutor emissor que posteriormente é refletida por um obstáculo e captada por um transdutor receptor. A segunda montagem consiste em por dois sensores de distância um de frente ao outro, para com isso obter o tempo de trânsito de ida e volta e usarmos a equação (20). A terceira montagem foi feita apenas com o sensor HC-SR04, pois os transdutores foram retirados da placa de circuito e colocados um de frente ao outro.
Os detalhes de cada montagem serão apresentados na seção posterior.
Figura 16 – Fotografia do sensor de distância HC-SR04, contendo dois transdutores, um oscilador de cristal e a placa de circuito.
Transdutor Oscilador de cristal
3.1- Montagens com o sensor HC-SR04
A primeira montagem utiliza um anteparo como ilustrado na Fig.18.
Nesse caso a velocidade do vento é medida tendo a soma dos tempos tida e tvolta ao
contrario da equação (20) que propõe a diferença entre os tempos.
tida+tvolta = (
) +( ), (22)
fazendo tida+tvolta = e resolvendo (22) para obtemos
= √ . (23)
Na segunda montagem ilustrada na Fig.19 usamos dois sensores de distância HC-SR04 de maneira a serem arranjado um em frente ao outro. Nesse caso o transdutor emissor do sensor A emite uma onda sonora que é captada pelo transdutor receptor do sensor B. Em contra partida o transdutor emissor do sensor B emite uma onda sonora que é captada pelo transdutor receptor do sensor A. Buscamos com isso verificar a utilização da equação (20) na medida da velocidade do vento com o sensor de distância.
Tx Rx
Figura 18 – Ilustração de montagem com anteparo
Figura 17 – Ilustração do sensor de distância LV – Maxsonar-EZOTM , onde podemos visualizar um transdutor e a placa de circuito.
Anteparo Sensor
Uma terceira montagem consiste em separar os transdutores do sensor HC-SR04 e colocá-los um de frente ao outro como pode ser observado na Fig.20. Isso permitirá o uso da equação (20) no calculo da velocidade do vento.
3.2 – Montagens com o sensor LV-Maxsonar-EZOTM
Para o LV-Maxsonar-EZOTM foram feitas montagens analogamente aquelas trabalhadas com o sensor HC – SR04. Configurações com anteparo e com dois sensores dispostos um de frente ao outro. Tx Rx Rx x Tx
Figura 19- Ilustração de arranjo de sensores (HC-SR04) em lados opostos
Tx
Rx
Tx Rx
Figura 20a– Ilustração do sensor HC –SR04
Figura 20b– Ilustração do sensor HC –SR04 com seus transdutores separados. Transdutores Placa de circuitos do sensor HC-SR04 A B
3.3 – Coleta de dados
Para todas as montagens citadas realizamos medidas com 1000 aquisições variando a taxa de aquisição entre 3µs e 1000 ms. Outro parâmetro variado foi à distância entre o sensor e o anteparo (montagem com anteparo) e a distância entre os sensores/transdutores (montagem sem anteparo). Os dados foram coletados com e sem vento. Para produzir o fluxo de partículas (vento) na ausência de um túnel de vento usamos um ventilador. Em algumas ocasiões usamos o túnel de vento do laboratório de ensino do departamento de física teórica e experimental.
A análise estatística foi fundamentada em histogramas, desvio padrão da média e reprodutibilidade. Em um primeiro momento o estudo concretizou-se com base nos valores de tempo de trânsito coletados. Em um segundo momento com valores de velocidade.
Para controle e aquisição de dados utilizamos a plataforma arduino. A arduino é uma plataforma de prototipagem eletrônica de estrutura aberta, que surgiu em 2005 na Itália. Como a original arduino possui estrutura aberta existem várias cópias no mercado com funções e configurações semelhantes. Ela é composta basicamente por um microprocessador, um oscilador de cristal e um regulador de tensão linear. Existem vários modelos de placa arduino no mercado onde os mais comuns são: Arduino UNO, MEGA 2560 e arduino NANO.
A arduino uno (ver Fig. 21) foi o primeiro modelo criado, ela possui um micro controlador Atmega328, 14 pinos digitais (entrada ou saída), 6 entradas analógicas e um oscilador de cristal de 16MHz.
A arduino Nano apresentada na Fig.22 é uma versão reduzida da arduino semelhante à arduino UNO, onde suas dimensões são 1,8cm de largura e 4,3cm de comprimento, enquanto que, a arduino uno possui 5,3 cm de largura e 6,8 cm de comprimento. Este modelo de arduino tem toda a capacidade eletrônica da arduino uno, porém com 8 pinos analógicos.
A sua forma compacta permite a criação de projetos com tamanho total diminuto em relação aos projetos com os outros modelos de arduino.
Aqui usamos a arduino Mega 2560 - http://www.arduino.cc/. Neste modelo de arduino encontra-se um chip ATmega 2560 que permite uma placa com 54 pinos de saídas/entradas digitas entre os quais 16 são PWM (Modulação de largura de pulso).
A arduino Mega 2560 abre espaço para projetos mais extensos, devido o grande número de saídas e entradas existentes na mesma. A vantagem em se utilizar uma plataforma arduino está na facilidade em seu uso, já que a placa não precisa de softwares ou hardware sofisticados para executar seus comandos.
Por exemplo, neste trabalho os sensores são conectados a saída de 5 volts da arduino que pode ser alimentada pela porta USB do computador. Através dos pinos digitais a plataforma controla o envio e recebimento de dados do sensor. Essa interação ocorre de acordo com os comandos executados por meio de uma IDE (ambiente de desenvolvimento integrado). Este software é gratuito e a linguagem de programação é bem semelhante à linguagem C/C++.
A Mega 2560 possui uma taxa de clock de 16 MHz o que nos permite fazer medidas com uma taxa de aquisição a partir de 3 µs (usando linguagem de alto nível).
Figura 23 – Ilustração da arduino Mega 2560. Figura 22 – Arduino Nano (www.arduino.cc).