INSTRUMENTAÇÃO COM ARDUINO NO ENSINO DE FÍSICA

## INSTRUMENTAÇÃO COM ARDUINO NO ENSINO DE FÍSICA

## José Altenis dos Santos , Gabriel Pimenta , Isaac Soares 1 2 3

1 Invest Centro Educacional/Física/jose.altenis@gmail.com

2 Universidade Federal de Pernambuco/Física/pimentafisica@gmail.com

## Resumo

Este trabalho apresenta um estudo sobre a aplicação do microcontrolador Arduino na instrumentação eletrônica aplicada ao Ensino da Física. São propostos dois experimentos didáticos na área de Termodinâmica, Eletrodinâmica e Magnetismo, o primeiro dos experimentos aqui descritos com aplicações do sensor térmico DS18B20 e o segundo com o sensor Hall linear SS49E todos associados ao Arduino. Todos esses experimentos objetivam a coleta e o tratamento de dados em laboratório. Foram desenvolvidos roteiros de experimentação eletrônica com os aparatos propostos, servindo como material útil de apoio para professores de ciências do ensino médio, bem como podendo ser utilizado por alunos de graduação dos cursos de licenciatura e bacharelado em Física. O uso do aparato experimental proposto neste trabalho pretende intermediar o processo de obtenção de conhecimentos físicos abstratos como temperatura, calor e campo magnético, aliando a teoria básica sobre aquisição de dados com a prática experimental e o processamento computacional de aquisição das grandezas físicas medidas; tornando tais conceitos mais relevantes e contextualizados para os alunos. A possibilidade de inserção do computador e da instrumentação eletrônica no ensino de Física pode ser um forte aliado do professor, contribuindo para aumentar o interesse dos estudantes e professores no uso das novas tecnologias em sala de aula, com a finalidade de melhorar e tornar mais significativa à aprendizagem da Física para todos os envolvidos.

Palavras-chave : Experimentação, Ensino de Física, Arduino

## Introdução

O desenvolvimento de atividades didáticas de instrumentação eletrônica voltadas para a área de ensino de Física, embora seja um campo muito vasto e com inúmeras possibilidades de aplicação, em geral é considerado um ponto problemático em muitas escolas e em algumas universidades. Dois tópicos principais podem ser elencados para explicar por que este tema muitas vezes é considerado problemático em muitas instituições de ensino. Primeiro, o custo relativamente elevado dos equipamentos eletrônicos necessários em um laboratório didático (osciloscópios, geradores de função, multímetros, fontes de tensão, entre outros). Segundo, a falta de capacitação específica no uso e desenvolvimento de experimentação didática pelos professores de física, o que reflete quase sempre a falta de preparo e até de infraestrutura dos cursos de licenciatura em Física, na formação específica do professor de Física, com habilidades e competências em construir experimentos e protótipos eletrônicos que possam ser usados em sala de aula. Quase sempre o primeiro problema está relacionado com o segundo; quando

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23 a 27 de janeiro de 2017

não é a fonte principal do problema. Ou seja, uma instituição de ensino sem um laboratório de Física adequado ou sem pessoal qualificado (professores e técnicos) dificilmente irá formar bons professores de Física, com sólida formação laboratorial ou com habilidades específicas na área de instrumentação eletrônica voltada ao ensino. O problema torna-se então aparentemente insolúvel, dada a dificuldade em nosso país para a obtenção de recursos financeiros específicos para a preparação ou mesmo manutenção de um laboratório didático de Física nas universidades e/ou nas escolas públicas do Brasil.

Uma possível saída para esta problemática é a possibilidade de desenvolver experimentação a baixo custo com sensores e microcontroladores de fácil acesso como conversores A/D (analógico/digital) e D/A (digital/analógico), os quais são de extrema importância na coleta de dados (d atalogger ) e no controle e automação na realização de um determinado experimento (SANTOS, 2015).

## Metodologia

Neste capítulo será discutida a metodologia empregada na execução da parte prática de uma oficina para professores de ensino médio e estudantes de Física. Inicialmente os participantes recebem uma introdução ao uso do Arduino, sendo construídos alguns projetos com diodos emissores de luz (LED), sensores de temperatura (LM35), sensores de luminosidade (LDR), dentre outros. A partir desse momento formam-se quatro grupos de alunos, para os quais são fornecidos os Manuais de Construção e Uso de Aparato. Serão dois manuais: medida de temperatura com a sonda sensor DS18B20 e medida de campo magnético com o sensor hall linear SS49E.

Todos esses manuais são construídos de forma a promover uma aprendizagem significativa, podendo se relacionar a estrutura cognitiva do aprendiz com o material, ou seja, um material potencialmente significativo (MOREIRA, 2011).

Esses dois aparatos são montados com Arduino e deverão ser construídos pelos próprios alunos, com o mínimo de intervenção/ajuda do professor, para que a viabilidade de aplicação do manual seja verificada.

- O componente básico de um sistema de instrumentação de controle e automação é o microcontrolador (MCU), o qual pode ser entendido como um circuito eletrônico microprocessado que pode ser programado para realizar funções específicas. No caso deste trabalho, para coletar o sinal analógico de sensores físicos e transformar esses sinais analógicos em sinais digitais, armazenando os dados para análise e manipulação das medidas em uma planilha ou em um programa matemático. Além do microprocessador, o MCU tem uma unidade de memória e portas de entrada e saída de dados. Geralmente trabalham com frequências de clock de alguns MHz, muito abaixo dos microprocessadores dos computadores pessoais (PC) e apresentam baixo consumo de potência (tipicamente mW), o que os tornam baratos e muito eficientes para propósitos gerais.

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## O que é o Arduino?

- O Arduino é um tipo de microcontrolador que pode ser facilmente programado, agregando-se a ele diferentes tipos de sensores (temperatura, pressão, aceleração, ultrassom, campo magnético, entre outros) e atuadores (motores DC, servo motores, motores de passo, relés, válvulas); os quais serão controlados por portas de entrada e saída de dados específicas do MCU (MCROBERTS, 2011). A Figura 01 mostra uma placa do Arduino UNO R3 original.

Figura 01 - Placa Arduino Uno(SANTOS, 2015).

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## IDE Arduino

- O ambiente de programação do Arduino é chamado de IDE ( Integrated Development Enviroment ) sendo baseado na linguagem de programação C. É neste ambiente que se constroem os programas, chamados de sketches , os quais irão controlar a placa, os sensores e os atuadores. O IDE contém vários exemplos para serem aplicados (EVANS, 2013). A Figura 02 mostra como exemplo o sketch do programa Blink , que é usado para fazer um LED piscar em intervalos de 1000ms ( delay ) entre o pino de saída 13 e o terminal comum ou terra (GND) da placa.

Figura 02 - IDE Arduino com exemplo de programação(SANTOS, 2015).

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## O Sensor de Temperatura DS18B20

- O dispositivo DS18B20 é um sensor de temperatura digital e mede a temperatura em graus Celsius com resolução de 9 bits (0,5 C) até 12 bits (0,0625 C) o o e tem uma função alarme para os pontos limites.
- O DS18B20 tem comunicação serial que, por definição, necessita de apenas uma linha de comunicação com o microprocessador. Ele opera entre as temperaturas limites: -55 C o ≤ T ≤ 125 C (INTEGRATED, 2008). o

Nesta oficina esse sensor será utilizado num experimento que envolve a Termodinâmica e a Eletrodinâmica em cálculos de energia na forma de calor e potência elétrica de um aquecedor.

Figura 03 - DS18B20 com encapsulamento a prova d'água(SANTOS, 2015).

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Inicialmente são feitas aos alunos 3 perguntas:

- O que é temperatura? O que é calor? Como ocorre em termos físicos o aquecimento da água?

Os alunos recebem então uma revisão teórica sobre os conceitos de temperatura e calor. Cada grupo de 4 ou 5 alunos recebe um manual descrevendo a montagem do aparato Arduino e do aparato experimental em que o aparato Arduino será utilizado e a sequencia didática a ser desenvolvida. Na figura 04 tem-se o esquema do aparato Arduino a ser montado.

Figura 04 - Aparato usando uma protoboard(SANTOS, 2015).

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Agora coloca-se uma massa de água num béquer, com um aquecedor elétrico (mergulhão) desligado. Pede-se para que algumas perguntas do manual sejam respondidas e anotadas.

O que vai acontecer com a temperatura da água, quando o aquecedor elétrico for ligado?

Em quanto tempo o aquecimento ocorrerá?

Qual é a forma da curva de aquecimento da água?

Figura 05 - Aparato para aquecimento da água(SANTOS, 2015).

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Durante o aquecimento os valores de temperatura são monitorados com a sonda e o sistema Arduino e posteriormente é utilizado um software para gerar o gráfico, por exemplo, o Geogebra.

Figura 06 - Gráfico da temperatura no aquecimento da água(SANTOS, 2015).

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Após a realização do experimento e construção do gráfico os alunos são instruídos a responder a outras perguntas do manual.

Em que temperatura a água entra em ebulição?

Quais as semelhanças entre o gráfico construído e os gráficos encontrados nos livros?

Calcular o calor gasto no aquecimento da água.

Calcular a potência elétrica do aquecedor elétrico utilizando o gráfico.

A análise das respostas durante a oficina tem mostrado uma melhora e refinamento significativo nos conceitos de temperatura, calor e aquecimento da água. Os alunos passam a ter mais propriedade na discussão na mudança de fase da água, chegando a discutir o formato do gráfico da figura 06 em relação aos que estão em livros didáticos do ensino médio, tecendo críticas e até fazendo propostas para tais livros.

## O Sensor de Efeito Hall SS49E

- O sensor hall utiliza o efeito Hall descoberto em 1879 por Edwin Herbert Hall. Quando um condutor elétrico pelo qual passa uma corrente elétrica é atravessado perpendicularmente por um campo magnético, surge uma diferença de potencial no fio perpendicular ao fluxo de corrente, a qual é proporcional ao campo magnético (Halliday, 2011).

Quadro 01 - Sensor Hall Linear SS49E e suas características.

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- O quadro 01 acima mostra as características do sensor de efeito Hall SS49E que deve se ligado ao Arduino. O pino 3 deve ser ligado à porta A0 do Arduino, o pino 2 ao GND e o pino 1 do sensor deve ligar-se aos 5V de tensão de alimentação.
- O sensor hall será utilizado para medir campos magnéticos de imãs e de solenoides construídos pelos próprios alunos e com variados núcleos. Abaixo tem se a figura de uma pessoa construindo um solenoide.

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Figura 07 - Enrolando um solenoide em um lápis(SANTOS, 2015).

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A sequência didática para esta atividade é semelhante ao do aquecimento da água. Primeiro são feitas umas perguntas iniciais e é dada uma rápida revisão do conteúdo. Depois são construídos solenoides e o aparato de medida de campo magnético com o sensor Hall. Neste ponto é pedido que se calcule o campo magnético do solenoide e então comparamos com o valor medido pelo aparato Arduino. Depois são feitas variações colocando-se núcleos no solenoide.

## Resultados e Conclusão

O ensino de Física é apontado por alguns estudantes como de difícil compreensão e uma saída para superar as dificuldades de aprendizagem é o uso de experimentação que contextualize conceitos e problemas a serem superados. Neste sentido a plataforma Arduino associada com os diferentes tipos de sensores disponíveis tem se mostrado bastante útil no desenvolvimento de instrumentação eletrônica, pois coloca o aprendiz em contato direto com medidas de grandezas físicas, além de possibilitar a manipulação dos dados e construção de gráficos.

Este trabalho faz uso do Arduino na instrumentação eletrônica em experimentos didáticos de Física. Os estudantes que participam da realização destes trabalhos ficam interessados em construir os aparatos propostos, usando a plataforma como uma ferramenta didática facilitadora do processo de ensinoaprendizagem. Neste sentido torna-se cada vez mais importante a oferta de oficinas que possam capacitar professores e alunos para o uso adequado do Arduino e/ou de outros dispositivos semelhantes, gerando material didático (apostilas, roteiros de experimentos, tutoriais, capítulos em livros didáticos, dentre outros), tais como os Manuais de Construção dos experimentos realizados na medição da temperatura através de um sensor de temperatura, campos magnéticos com um sensor de efeito Hall linear.

A aplicação da instrumentação eletrônica com Arduino no ensino de Física é muito ampla e este trabalho discutiu como a utilização destas ferramentas pode ser ensinada com a finalidade específica de tornar a aprendizagem da física mais significativa. O uso do Arduino e a possibilidade de construção de gráficos com as medidas dos experimentos podem despertar a motivação e o interesse dos alunos, sendo ainda um forte aliado do professor em sala de aula ou nos laboratórios de ensino, por tornar alguns conceitos físicos menos abstratos e mais próximos da realidade dos alunos, e por acreditar ainda que o aluno possa ser um sujeito importante no processo ensino-aprendizagem, podendo colaborar ativamente na construção do conhecimento e do saber.

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## Referências

SANTOS, J. A. Instrumentação Eletrônica com o Arduino Aplicada ao Ensino de Física . (Programa de Pós-Graduação em Ensino de Física (MNPEF)) Universidade Federal Rural de Pernambuco, Recife, 2015.

MOREIRA, M. A. Teorias de Aprendizagem . São Paulo: E.P.U, 2011.

MCROBERTS, M. Arduino Básico . São Paulo: Novatec, 2011.

EVANS, M.; NOBLE, J.; HOCHENBAUM, J. Arduino em Ação . São Paulo: Novatec, 2013.

INTEGRATED, M. DS18B20 Programmable Resolution 1-Wire Digital Thermometer , Rio Robles, San Jose, 2008.

HALLIDAY, D.; RESNICK, J. W. Fundamentos de Física . 8a. ed. Rio de Janeiro: LTC, v. 2, 2011.

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