Controle e Sensoriamento a Distância, Através da Internet, de um Sistema de Polias Automatizado

## CONTROLE E S SENSORIAMENTO A D DISTÂNCIA , ATRAVÉS DA INTERNET , , DE UM SISTEMA DE P POLIAS AUAUTOMATIZADO

Márlon Caetano Ramos Pessanha a [marlonp@uenf.br] Marcelo de Oliveira Souza a [mm@uenf.br] Josué Rodrigues Santa Ritab ab [josuer@cefetcampos.br] Rudson Dias Medeiros a [rudsonmedeiros@hotmail.com] Juliana Rocha Tavares a [jujubapianista@gmail.com]

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Centro Federal de Educação Tecnológica de Campos

## RESUMO

APRESENTAMOS NESTE TRABALHO, UM SISTETEMA QUE DESENVOLVEMOS QUE POSSIBILITA O CONTROLE E SENSORIAMENTO DE UM EXPERIMENTO DE FÍSICA, PELA INTERNET, PARA UTILIZAÇÃO NO ENSINO.

O EXPERIMENTO DESENVOLVIDO CONSISTE NUM SISTEMA DE POLIAS, COM TRÊS TIPOS DE ASSOCIAÇÃO DE TALHA EXPONENCIAL. NESTE EXPERIMENTO, UM MOTOR LEVANTA OS BLOCOS QUE ESTÃO ENVOLVIDOS EM CADA TIPO DE ASSOCIAÇÃO DE POLIAS. A FORÇA NECESSÁRIA PARA SE LEVANTAR OS BLOCOS É PROPORCIONAL AO ESFORÇO DO MOTOR, ESFORÇO ESTE QUE É PERCEBIDO ATRAVÉS DA INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA QUE PERCORRE O MESMO. O VALOR DA INTENSIDADE DA CORRENTE ELÉTRICA É LIDO E ASSIM, É POSSÍVEL SE CALCULAR A FORÇA PARA CADA TIPO DE ASSOCIAÇÃO.

PARA QUE A FORÇA POSSA SER LIDA ATRAVÉS DE COMPUTADORES, FOI DESENVOLVIDO UM CIRCUITO DE INTERFACE, DE CONVERSÃO ANALALÓGICAADIGITAL. ESTE CIRCUITO CONVERTE UM VALOR ANALÓGICO EM UMA COMBINAÇÃO BINÁRIA,QUE PODE SER LIDA PELO COMPUTADOR. O CIRCUITO É CONECTADO A PORTA PARALELA DO COMPUTADOR, QUE É O CANAL DE COLETA E CONTROLE DE DADOS QUE UTILIZAMOS PARA A AUTOMATIZAÇÃO DOS EXPERIMENTOS.

PARA O ACESSO AO EXPERIMENTO ATRAVÉS DA INTERNET FORAM DESENVOLVIDOS 3 SOFTWARES, UM "SOFTWARE CLIENTE", QUE É O SOFTWARE DESTINADO AOS ESTUDANTES QUE IRÃO ACOMPANHAR O PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL, UM "SOFTWARE CLIENTE DE CONTROLE" QUE É O SOFTWARE RESPONSÁVEL POR PERCEBER OS COMANDOS DE CONTROLE, AGIR DIRETAMENTE NOS EXPERIMENTOS, ALÉM DE COLETAR E ENVIAR O QUE É LIDO, E UM "SOFTWARE SERVIDOR" QUE POSSIBILITA A COMUNICAÇÃO ENTRE OS DEMAIS SOFTWARES. A COMUNICAÇÃO ENTRE OS SOFTWARES É FEITA POR PROTOCOLO TCP/IP.

ATRAVÉS DO "SOFTWARE CLIENTE" OS ESTUDANTES PODEM, CONTROLAR O EXPERIMENTO, ACOMPANHAR EM TEMPO REAL A EXECUÇÃO DO MESMO ATRAVÉS DE UMA IMAGEM, ACOMPANHAR OS VALORES QUE SÃO LIDOS NO EXPERIMENTO, INTERAGIR COM OUTROS ESTUDANTES E ACESSAR CONTEÚDOS TEÓRICOS SOBRE OS CONCEITOS DE FÍSICA ENVOLVIDOS.

## PALAVRAS -CHAVE

Automação, Educação a Distância, Experimentos.

## INTRODUÇÃO

Atualmente, vem ocorrendo um crescimento no número de cursos à distância no Brasil. A Educação a Distância consiste num processo de ensino-aprendizagem, mediado por tecnologias, onde professores e estudantes estão separados espacial e/ou temporalmente. As tecnologias utilizadas para este tipo são diversas, como o correio, o rádio e televisão, vídeos, o CD-ROM, o telefone e fax, e, destacando -se, a Internet. (Moran, 2002)

O ensino de Física também já vem sendo realizado dentro desta modalidade, em cursos de Física à distância. No processo ensino-aprendizagem, de acordo com as Teorias de Ausubel e Vigotsky, é necessária uma ma contextualização daquilo que o estudante irá aprender, de forma a tornar a aprendizagem significativa para o aluno. (Moreira, 1999)

Situações ligadas ao cotidiano, assim como experimentos que demonstrem os conceitos a serem assimilados, são ótimas abordagens para possibilitar que o que se aprende faça sentido para o estudante. Com o uso de experimentos, o estudante pode passar de um sujeito passivo no processo ensino -aprendizagem para um sujeito ativo, podendo visualizar aquilo que se é ensinado, além de poder interagir diretamente com o experimento.

Levando -se em conta estes pontos, o uso de experimentos no Ensino de Física a distância deve ser considerado. No entanto, é necessário o desenvolvimento de ferramentas que possibilitem o acesso dos estudantes aos experimentos. Considerando o Ensino a distância pela Internet é necessário o desenvolvimento de uma série de "objetos" que somados, servirão de ferramenta que possibilitem a experimentação a distância.

É necessário, além da construção do experimento, o desenvolvimento de circuitos que permitam a comunicação entre o experimento e um computador, e este computador deverá ser acessado a distância pelo estudante através da Internet. Para permitir o acesso é necessário o uso de softwares que se comuniquem, m, para que assim, os comandos enviados pelo estudante possam chegar ao experimento e os valores coletados nos experimentos possam ser visualizados pelo estudante. Além disto, é interessante ainda que o estudante possa visualizar o experimento, e estes softftwares devem possibilitar isto.

## DESENVOLVIMENTO DO TRTRABALHO

Desenvolvemos um experimento, que pode ser acessado pela Internet, por estudantes. Para permitir este acesso, foram desenvolvidos softwares. Foi necessária ainda a construção de um circuito de interface, que permitisse a comunicação entre o experimento e um computador. Seguem os detalhamentos de cada construção realizada no desenvolvimento do trabalho:

## Experimento

Foi desenvolvido um experimento que envolvesse três tipos de associação de polias s de talha exponencial, a fim de demonstrar, que quanto maior o número de polias utilizadas, menor

força seria necessária para levantar um determinado objeto. As associações estão representadas na Figura 1.

Figura 1 - - - Associações

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Na primeira associação, onde se tem apenas uma polia fixa, a força utilizada para levantar um objeto, é igual ao peso deste objeto. Nesta associação ocorre apenas a transferência do sentido do peso.

Na segunda associação, é adicionada, além da polia fixa já existente, uma polia móvel, que faz com que a força necessária para levantar o objeto seja igual a metade do peso deste objeto.

E numa última associação, além da polia fixa, duas polias móveis, que fazem com que a força para levantar o objeto seja igual a um quarto do peso do objeto.

De maneira geral, conforme se vai aumentando o número de polias móveis, menor será a força para levantar o objeto, obedecendo a fórmula:

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Onde "F" é a força aplicada necessária para levantar o objeto, "P" é o peso do objeto e "n" é o número de polias móveis. A denominação "talha exponencial" atribuída a este tipo de associação de polias, se deve ao fato do denominador da equação crescer exponencialmente.

Neste experimento, o objeto é erguido por um motor. Para que possa ser percebida a diferença do valor da força aplicada para levantar o objeto nos três tipos de associação, foi colocado um resistor em série com um dos terminais do motor. Quanto maior a força necessária para levantar o objeto, maior será o esforço do motor, que ocasionará á uma maior corrente elétrica que passará pelo resistor. Sabendo o valor da resistência do resistor que foi adicionado, através da tensão elétrica coletada nas extremidades do resistor, é possível determinar a intensidade da corrente elétrica.

Figura 2 - - - À direita: Esquema de Montagem do Experimento. À esquerda: Foto do experimento automatizado

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O Experimento possui ainda um sensor óptico que pausa o motor, quando os pesos chegam a uma altura determinada.

Com o sistema de polias, podem ser discutidos os conceitos de força, a utilização de máquinas simples para diminuir um trabalho, conceitos de energia, etc. Existem várias aplicações do uso de polias, seja com a função de diminuir um esforço ou até mesmo unicamente como instrumento para possibilitar a mududança de sentido de um movimento. Como exemplos de aplicações, temos o uso na construção civil com o objetivo de facilitar o transporte de materiais, temos sua utilização em motores para transmitir o movimento a eixos, etc.

## Circuito de Interface

Os valores da tensão elétrica obtidos no experimento são valores analógicos, que só poderão ser lidos pelo computador com a utilização de um circuito de interface, que irá converter o valor analógico em um valor digital. Este valor digital é um valor de base binária que corresponde ao valor analógico de base decimal, podendo ser coletado pelo computador.

Desenvolvemos então um circuito de interface com base em um Microcontrolador da Microchip, o PIC 16C71, que é um microchip programável, cuja função no circuito é definida pela programação que ele recebe. (Microchip, 1997)

No caso desta interface, o chip recebeu uma lógica de programação de um conversor analógico/digital de dois canais de leitura, isto é, o microchip passou a ter a função de converter um valor analógigico (uma tensão entre 0V e 5V), para um valor decimal que pudesse ser entendido pelo computador. O valor é convertido num sinal digital de 8 bits.

Essa interface possui ainda outros componentes como buffers inversores do tipo CD4069, que tem como função amplificar o sinal que sai do PIC16C71, fazendo ajustes necessários. Por serem buffers inversores, o sinal que vem do microcontrolador é invertido. (Texas Instruments, 2003)

A coleta de dados é feita utilizando -se a porta paralela do computador. A inversão realizada com os buffers é necessária, pois a porta paralela irá coletar os dados com lógica invertida. Além disto, os sinais de controle, que também saem da porta paralela invertidos, também sofrem uma correção com o uso de buffers.

Figura 3 - Esque ma do Circuito

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A porta paralela opera em modo EPP (modo bidirecional), que reserva um dos endereçamentos para entrada de dados. Este endereçamento é denominado 378h, e é um endereçamento de 8 bits. Para enviar sinais ao experimento, foi utilizado um outro endereçamento, o 37Ah, que possui 4 bits para controle, dos quais foi usado apenas 3 bits.

## Softwares

Para permitir o controle e sensoriamento dos experimentos através da Internet, foi necessário o desenvolvimento de softwares que permitissem a comunicação entre o experimento e os estudantes. Foram desenvolvidos então, três tipos de softwares. Um para permitir a comunicação entre os clientes, o software servidor, e dois outros softwares que se conectam ao servidor, isto é, softwares clientes. Um software é destinado aos estudantes, e o segundo é o software que irá controlar e sensoriar o experimento, receber os comandos e enviar ao servidor os valores lidos.

Os softwares foram desenvolvidos na linguagem Object Pascal, no ambiente Turbo Delphi. (Boratti, 2004 ; Borland Software Corporation, 2006).

A comunicação é feita por meio do protocolo TCP/IP.

## Software Servidor

Este software foi criado para permitir a comunicação entre os softwares clientes. Os softwares clientes se conectam ao software servidor. Depois de conectados, os clientes poderão se comunicar, além de enviar os comandos para o controle do experimento. A tela do software servidor é apresentada na figura 4.

Figura 4 - - - Tela do Software Servidor

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Através do software servidor, é possível desconectar clientes, mandar mensagens privadas, além de obter informações sobre o cliente. No software é possível ainda configurar uma mensagem de "Boas-vindas", além de configurar comandos como o de ajuda, o "/help".

## Software Cliente destinado aos estudantes

Este é o software destinado ao estudante que irá manipular o experimento a distância. Através deste é possível além de se comunicar com outros estudantes, controlar o experimento através de comandos.

No momento em que o cliente se conecta ele recebe uma mensagem do servidor que lhe informa os comandos que ele irá utilizar para controlar os experimentos disponíveis. A figura 5 mostra uma tela capturada deste software.

Figura 5 - - - Tela do Software Cliente para uso dos estudantes

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Na parte da tela do softwtware onde se visualiza as mensagens recebidas de outros usuários, o estudante receberá também os valores lidos nos experimentos.

O software disponibiliza ainda uma tela onde é exibida uma imagem real do experimento. Os estudantes além de controlar e receber os valores lidos no experimento em tempo real, poderá também visualizar o procedimento experimental em execução.

O software disponibiliza ainda conteúdos explicativos sobre o experimento e sobre os conceitos de Física envolvidos no experimento. Os conteúdos podem ser acessados a qualquer momento pelo estudante, clicando no botão "Acessar Conteúdos Teóricos".

## Software Cliente de Controle

O terceiro software, desenvolvido para o controle dos experimentos pela internet, é o que é responsável por controlar o o experimento e enviar os valores lidos para o servidor, e logo, ele possui as funções de controle e leitura da porta paralela, e envio automático dos valores lidos. Além disso, este software fica "em alerta" aos comandos que são enviados como os de iniciaiar e parar um experimento.

No controle dos experimentos, estes softwares elevam o nível lógico de bits da porta paralela que fazem o controle dos experimentos, e na leitura, os softwares fazem a varredura do endereçamento de leitura, percebendo, calculando e posteriormente enviando ao servidor os valores lidos.

Através do software é possível também selecionar o usuário do sistema que poderá controlar o experimento, possibilitando uma maior organização durante um procedimento experimental, porém, todos os usuários conectados podem acompanhar o procedimento experimental. A tela do software é mostrada através da Figura 6.

Figura 6 - - - Tela do Software Cliente de Controle

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Em conjunto com este software, um software encoder, transmite a imagem do experimento, com m o uso de uma câmera conectada ao computador. A imagem transmitida é observada através do Software Cliente disponibilizado aos estudantes.

## RESULTADOS

Já foram realizados diversos testes localizados em ambientes previamente definidos com o objetivo de verifificar o funcionamento do controle virtual do experimento pelos softwares. Nestas avaliações os softwares demonstraram um bom funcionamento. Foi possível determinar o início e término dos experimentos e ter acesso aos dados coletados. Foi possível o acompanhnhamento da experiência realizada através da visualização de imagens do experimento.

Nestes testes o experimento operou numa das salas da universidade. O experimento foi conectado a um computador através da interface desenvolvida, e com o software cliente de controle sendo executado neste computador. Este software pôde controlar e fazer o sensoriamento do experimento. Através do software cliente, usuários puderam acessar o experimento de fora da universidade, através da Internet.

Uma das funcionalidades do do software cliente, o Chat, mostrouuse muito útil na interação entre os usuários, possibilitando inclusive que dúvidas relativas ao funcionamento do sistema e aos conceitos envolvidos fossem sanadas.

- O experimento obteve também um funcionamento satisfatórioio. O experimento foi elaborado com o uso de materiais de baixo custo. Ele pode ser desenvolvido em grande escala para serem disponibilizados em escolas de Ensino Médio. Com o sistema já testado com sucesso é possível agregar novos experimentos que venham a englobar outras áreas da Física.
- O projeto aqui apresentado, abrangendo ainda outros experimentos, tem recebido o reconhecimento da comunidade universitária, tendo recebido por três anos seguidos o Prêmio de destaque de Iniciação Científica durante as Semanas de Iniciação Científica da Universidade Estadual do Norte Fluminense.

## CONCLUSÃO

A motivação apresentada pelos estudantes enquanto utilizam as novas tecnologias disponíveis, e navegam pela Internet é um novo elemento que deve ser considerado quando se inicia o desenvolvimento de material didático, já que estas novas tecnologias estão se incorporando ao cotidiano dos estudantes. Com o material desenvolvido até o momento, é esperado também despertar nos estudantes, com a utilização desses novos recursos tecnológicos, o interesse pelo estudo da Física e a possibilidade de associá-la a fenômenos que são observados no cotidiano.

Experimentos Automatizados e que possam ser controlados pela internet, se mostram como ferramentas eficientes para o ensino não presencial, e contribuem para a ocorrência de uma aprendizagem significativa.

A transmissão da imagem do experimento que o estudante está manipulando a distância, permite a visualização de uma imagem real do equipamento que está sendo utilizado e o acompanhahamento da evolução da experiência em tempo real. Isto facilita o entendimento dos conceitos envolvidos, além é claro, de tornar o experimento mais próximo do aluno durante o ensino a distância.

## AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem a TECNORTE/FENORTE e ao CNCNPq, pelo apoio financeiro para o desenvolvimento do projeto.

## REFERÊNCIAS

Boratti, I. C., Programação orientada a objetos usando Delphi, Florianópolis, Visual Books, 2004.

Borland Software Corporation, Turbo Delphi, Disponível em: http://www.borland.com/resources/en/pdf/products/turbo/turbo\_delphi\_datasheet.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.

Microchip Technology Inc., Data Sheet PIC16C71X, 1997. Disponível em: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/30272a.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.

Moran, J. M., O que é educação a distância. , 2002. Disponível em: http://www.eca.usp.br/prof/moran/dist.htm. Acesso em 15 de set. 2006

Moreira, M. A., Teorias de Aprendizagem, São Paulo, EPU, p.109-122 e 151-166, 1999.

Texas Instruments, Data Sheet CD4069UB, 2003. Disponível em: http://www.farnell.com/datasheets/15143.pdf. Acesso em 15 de set. 2006.