Desenvolvimento de um Sistema de Aquisiçao de Dados para o Laboratório de Termodinâmica do Instituto de Física da UERJ

## Desenvolvimento de um Sistema de Aquisição de Dados para o Laboratório de Termodinâmica do Instituto de Física da UERJ

Artur Batista Vilar a [artur\_vilar@yahoo.com.br] Amanda Ribeiro Correia a [correia.amanda@gmail.com] Luís Fernando de Oliveira a [lfolive@click21.com.br] Aníbal Leonardo Pereira a [apereira@uerj.br]

a Universidade do Estado do Rio de Janeiro

## RESUMO

Este trabalho apresenta um sistema de aquisição de dados construído no laboratório de Termodinâmica do Departamento de Física Aplicada e Termodinâmica do Instituto de Física da Universidade do Estado do Rio de Janeiro (UERJ). O objetivo inicial do sistema de aquisição é trabalhar com experiências de troca de calor. Entretanto, o sistema de aquisição de dados desenvolvido pode ser utilizado para analilisar diversos fenômenos, variando -se apenas o sensor utilizado. Atualmente, os alunos da graduação em Física da UERJ, realizam suas experiências da "maneira tradicional", coletando os dados diretamente do instrumento de medição e registrando os dados obtidos em uma folha de papel. Essa metodologia consome muito tempo e faz com que o número de dados obtidos não seja o desejável para uma eficaz análise estatística dos dados. O trabalho não sugere a eliminação da metodologia tradicional de coleta de dados nos laboratórios de graduação em Física. Propõe a inserção da metodologia da aquisição de dados na graduação e por conseqüência que esta metodologia também seja levada, com os devidos cuidados que serão abordados neste trabalho, às instituições de Ensino Médio . Por não existir praticamente nenhum conhecimento inicial de Eletrônica pelos alunos que desenvolveram o trabalho, alguns textos da Revista Brasileira de Ensino de Física foram fundamentais como bibliografia e ponto de partida para a esquematização do circuito a ser desenvolvido.

## SISTEMA DE AQAQUISIÇÃO DE DADOS

## Introdução

O projeto de desenvolvimento e construção de um sistema de aquisição de dados originou-use, no ano de 2005, dos trabalhos de monitoria da disciplina Introdução à Termodinâmica A, que pertence ao terceiro período do curso de graduação em Física da UERJ. Nesta disciplina são realizadas cerca de dez atividades sobre temperatura e trocas de calor durante o semestre. Entretanto, nenhuma dessas práticas utiliza a técnica de aquisição de dados. Este mesmo quadro repete-se para todos os laboratórios de todas as disciplinas do curso.

Um sistema de aquisição de dados é composto de um único sensor, ou um conjunto destes, de um circuito que realiza a conversão de sinais analógicos para sinal digital e de um microcomputador que receberá os dados para o seu processamento. Há a necessidade de um software que controle a aquisição de dados tendo a função de realizar a comunicação entre a saída

da placa de aquisição com a entrada do microcomputador; via portas paralela, serial, USB ou outro dispositivo.

Há um número razoável de sistemas de aquisições disponíveis no mercado, mas, devido aos poucos recursos financeiros existentes, a compra e mesmo a manutenção de um sistema de aquisição para as práticas realizadas nos laboratórios do Instituto de Física (IF) torna-se muitas vezes inviável, impossibilitando que esta metodologia experimental seja utilizada, apesar de muito importante para todos os graduandos em Física (bacharéis ou licenciados).

O que normalmente ocorre é a compra de sistemas de aquisição voltados para uma única área de estudo. O sistema de aquisição desenvolvido no laboratório de Termodinâmica pode ser usado para qualquer área da Ciência, variando-se apenas o tipo de sensor a ser utilizado, de acordo com o fenômeno estudado.

O interesse no desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados deve-se, dentre outras coisas, ao baixo custo de confecção em relação aos preços de mercado e pelo número significativo de dados obtidos em uma boa velocidade.

Quauando a coleta de dados é feita de forma manual, são obtidas, normalmente, entre 6 a 10 medidas; dependendo da prática e do tempo de aula disponível, em um processo demasiadamente lento. A introdução da metodologia experimental de aquisição de dados representa a possibilidade real de uso das técnicas de análise estatística de dados experimentais estudadas no curso de Física Geral do primeiro período da graduação.

Como no início do trabalho não havia nenhuma prática ou conhecimento específico de Eletrônica ananalógica ou digital, utilizou-u-se como base o circuito por SOUZA ET AL (1998) em "Aquisição de dados e aplicações simples usando a porta paralela do micro PC".

## Problemas na utilização deste sistema

O estudo aqui realizado, além de ser aplicado nos laboratórios de graduação de nível superior, também pode ser inserido nos laboratórios de Ciências do Ensino Médio. Entretanto para esta realidade é importante considerar os cuidados que devem ser tomados na utilização da metodologia de aquisição de dados no Ensino Médio. Segundo CAVALCANTE E TAVOLARO (2000) , as principais causas dos problemas na aplicação didática, em ensino médio, de um sistema de aquisição de dados são:

- - O desconhecimento total das possibilidades que esta nova forma de experimentação pode trazer;
- - O receio de uma nova abordagem: quando se trabalha com coleta de dados em tempo real, muitos dos modelos teóricos utilizados não são mais aplicados e as condições de contorno do "modelo" nunca são garantidas;
- - A ausência de domínio de todo o sistema de medida que está sendo utilizado, desde os sensores até a finalização na coleta dos dados, e a respectiva representação na tela do computador (geralmente em forma gráfica);
- - A falta de costume dos nossos professores em trabalhar pequenos projetos em sala de aula com seus alunos;
- - A A ausência de uma educação tecnológica que permita ao nosso professor um maior domínio dos desenvolvimentos científicos do século XX;
- - O mito de se atribuir a todo sistema digital uma precisão absoluta.

Portanto, o sistema de aquisição de dados não pode representar para o professor de Ciências uma caixa preta. Ele deve ter uma noção mínima da estrutura eletrônica do circuito que o compõem.

Tendo esta preocupação, entenderá o comportamento da aquisição de dados e poderá interpretá-la com uma análise mais crítica caso os resultados não sejam exatamente os esperados. Toda esta conscientização, quando bem trabalhada, refletirá na forma como o aluno recebe esta metodologia de trabalho; aproximando-o de uma Física experimental que estuda um fenômemeno da natureza, mas está norteada de desvios e limites técnicos de investigação previstos, inteligíveis e muitas vezes contornáveis.

## Objetivo

A partir das motivações e relevâncias citadas no item anterior, o objetivo principal deste trabalho é a apresentação do sistema de aquisição com comunicação via porta paralela desenvolvido no laboratório de Termodinâmica da UERJ .

## Funcionamento do do sistema de aquisição de dados construído

O sistema de aquisição é composto, principalmente, por um conversor analógigico-digital (conversor A/D) de oito bits com seleção de conversão de sinal de uma entrada analógica em um conjunto de oito entradas. A entrada desejada é selecionada a partir da combinação de três bits de endereçamento. Para garantir um modelo de funcionamento com conversões ininterruptas, o sistema possui um circuito oscilador que garante o fornecimento da temporização necessária. Todo sistema de conversão precisa também de uma tensão de referência estável para assegurar a linearidade na conversão do sinal analógigico em sinal digital. Por fim, o sistema de aquisição possui um bloco próprio responsável pela alimentação dos circuitos. Isto libera a necessidade fornecimento de energia através da porta de comunicação.

Para cumprir a missão de configurar a porta paralela la e ler os dados do sistema de aquisição, desenvolveuuse um programa que configura a porta paralela para não trabalhar na função de interrupção e trabalhar de forma bidirecional. Após a configuração inicial, o programa solicita ao usuário a informação de cacanal e número de leituras desejadas. Através de operações lógicas

binárias, estas informações são passadas para o registrador de controle e transferidas para o circuito de aquisição. Uma vez configurado, o processo final é a leitura dos dados propriamente dito, gerando-se um pulso de "start" a cada leitura. Por fim, os dados são salvos em um arquivo texto.

A figura 1 apresenta o circuito desenvolvido, ainda no protoboard:

Figura 1 - - - Circuito conversor analógico-digital

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Utilizando o protótipo apresentado na figura 1, a a conversão de dados foi obtida com sucesso. Isto pôde ser observado com a presença de leds que informavam os dados convertidos após o fornecimento dos dados analógicos para o ADC com a utilização de um potenciômetro ligado a a um dos canais do ADC.

O software de aquisição e controle de dados foi primeiramente testado em um circuito construído especificamente para verificação da escolha correta dos canais de aquisição e para a leitura de valores fixos. Ao ligarem-m-se todos os pinos de dados da porta, por exemplo, em um ponto de 5 V observava -se no software de aquisição e no texto de saída gerado os "n" valores de medidas solicitados indicando o valor 255; conforme o esperado. Com isso verificou-u-se através dos leds que o canal selecionado estava correto e que se estava coletando dados analógicos pela porta paralela. Este resultado levou à conclusão de que o software desenvolvido realizou o controle de canais e a aquisição de dados analógicos satisfatoriamente. Entretanto, não houve a aquisição de dados

digitais; aquisição esta que finalizaria a primeira versão do sistema de aquisição de dados. Vencida

esta etapa os dados que representam fenômenos naturais como temperatura poderão ser coletados e analisados estatisticamente.

Atualmente, os trabalhos estão concentrados no aperfeiçoamento do processo de comunicação do circuito construído com o microcomputador e na adaptação de sensores para serem conectados nos canais do circuito de aquisição.

A pesquisa para a construção de um sistema de aquisição exigia conhecimentos de eletrônica analógica, eletrônica digital e programação por parte dos dois estudantes de iniciação científica realizadores deste trabalho. Entretanto, com auxílio dos dois orientadores do projeto, foi necessário partir de conceitos extxtremamente básicos. Isto porque o curso de graduação em Física na UERJ não oferece em sua grade a disciplina Eletrônica.

Foram realizadas algumas atividades no laboratório para iniciar-se o estudo de Eletrônica, tais como:

- - Estudo dos resistores;
- - Associação de resistores;
- - Circuito divisor de tensão;
- - Estudo dos diodos;
- - Pontes retificadoras;
- - Estudo e utilização do osciloscópio;
- - Transformadores;
- - Portas lógicas;
- - Circuitos integrados;
- - Estudo e prática de soldagem.

Com isso considera -se que houve um grande avanço pessoal e acadêmico, visto que em um intervalo de tempo relativamente curto, aprenderam-m-se significativamente os conteúdos necessários para a realização de trabalhos de nível básico e médio na área de pesquisa em aquisição e controle de dados.

Desde o início do projeto a linguagem de programação escolhida para comunicação do sistema de aquisição com o microcomputador foi a linguagem C. Os estudos de C e C++ foram iniciados em um trabalho de pesquisa paralelo realizado em 2005 no Laboratório de Sistemas de Detecção (LSD) do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF). Posteriormente, os estudos de programação foram aperfeiçoados em um curso de verão no Instituto de Física da UERJ, no ano de 2006. Desde então, começou-u-se a desenvolver a idéia de um software que realizasse a comunicação da placa de aquisição com o computador.

Concluiise que houve uma considerável evolução no processo de aprendizagem e utilização dos conceitos de desenvolvimento de software.

Considera -se que o advento deste circuito de aquisiç ão gera um avanço considerável na qualidade do processo de ensino-aprendizagem nas disciplinas da grade do curso de Física da UERJ. Entretanto para que tal processo ocorra de forma consistente, sugere-se que a utilização de sistemas de aquisição seja discututida entre os departamentos que representam estas disciplinas.

## Legenda de Figuras

Figura 1 - - - Circuito conversor analógico-digital ................................................................................ 4

## Referências Bibliográficas

SOUZA D.F . ; SARTORI J.; BELL M.J.V e NUNES L.A.O. Aquisição de dados e aplicações simples usando a porta paralela do micro PC. Revista Brasileira de Ensino de Física 20, 413 (1998).

CAVALCANTE M.A. e TAVOLARO C.R.C. Cuidados na ututilização de sistema de aquisição de dadodos no ensino de F Física, Revista Brasileira de Ensino de Física 22, 247 (2000).

CAVALCANTE M.A. e TAVOLARO C.R.C. Projete Você mesmo experimentos assistidos por computador: construindo sensores e analisando dados, Revista Brasileira de Ensino de Física 22, 421 (2000).

MONTARROYOS E. e MAGNO W.C. Aquisição de dados com a placa de som do computador, r, Revista Brasileira de Ensino de Física 23, 57 (2001).

HAAG G R. Utilizando a placa de som do micro PC no laboratório didático de Física , Revista Brasileira de Ensino de Física 23, 176 (2001).

AGUIAR C.E. e LAUDARES F. Aquisição de dados usando Logo e a porta de jogos do PC , Revista Brasileira de Ensino de Física 23, 371 (2001).

RIBAS R.V.; SOUZA A.F . e SANTOS N. Um sistema de aquisição de dados de baixo custo para o laboratorio didatico, Revista Brasileira de Ensino de Física 20, 293 (1998).

JACKSON J. D. Classical Electrodynamics . 3 ed. New York. John Wiley&amp; Sons , Inc. (1998).