Motor DC controlado via bluetooth para fins didáticos

## MOTOR DC CONTROLADO VIA BLUETOOTH PARA FINS DIDÁTICOS

## Tiago da Silva Campelo 1 , Diego Alves da Silva 2 , Filipe Pereira Mesquita dos Santos 3

- 1 Instituto Federal do Rio de Janeiro, tscampelo@gmail.com
- 2 Instituto Federal do Rio de Janeiro, diegokmxc@gmail.com
- 3 Instituto Federal do Rio de Janeiro, filipe.santos@ifrj.edu.br

## Resumo

O uso de experimentos nas aulas de Física vem sendo relatado por professores e pesquisadores nos últimos anos como uma ferramenta eficaz que facilita o processo de ensino-aprendizagem, e com o avanço da tecnologia vem sendo cada vez mais fácil o desenvolvimento de experimentos eficientes e baratos que dispensam laboratórios, instrumentos de medidas sofisticados e conhecimento técnico avançado por parte dos professores e alunos. Visando explorar essas novas oportunidades, neste trabalho é apresentado de maneira simples o processo de montagem e utilização de um circuito eletrônico de baixo custo capaz de controlar a velocidade e sentido de rotação de um motor de corrente continua (DC) à distância através do controlador Arduino e um smartphone via sinal bluetooth . O trabalho propõe oferecer ao professor de ensino médio sem conhecimento avançado de eletrônica e programação, que busca experimentos simples para inovar a sua aula, um equipamento de fácil montagem e operação que pode servir de base para diversos experimentos relacionados a mecânica, cinemática dentre outros temas, e o primeiro passo na exploração dos potenciais didáticos do Arduino.

Palavras-chave: Atividades Experimentais, Ensino de Física, Arduino.

## Introdução

O uso de experimentos nas aulas de Física tem sua relevância reconhecida por diversos pesquisadores que ao longo dos anos estabeleceram uma extensa bibliografia de trabalhos que expõe as vantagens de sua incorporação da nas aulas de Física, sendo apontado por professores e alunos como uma das melhores ferramentas para se enfrentar as dificuldades de se aprender e ensinar Física (ARAÚJO,2003) e com o avanço tecnológico tem sido possível cada vez mais contornar algumas das dificuldades associadas à elaboração e aplicação de experimentos em sala de aula, apontadas por pesquisas (PENA,2009), e trazer de vez a experimentação para dentro da sala de aula.

Uma das alternativas que a tecnologia proporciona é o uso de experimentos virtuais, no qual simulações computacionais buscam reproduzir fenômenos físicos. Apesar de muito utilizados, tais experimentos possuem limitações e não devem ser utilizados de maneira acrítica.

Há um grande risco implícito na adoção acrítica das simulações no ensino da Física, pois elas apresentam certas desvantagens, algumas vezes negligenciadas. Seria primordial notar-se que um sistema real é frequentemente muito complexo e as simulações que o descrevem são

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sempre baseadas em modelos que contêm, necessariamente, simplificações e aproximações da realidade. (MEDEIROS,2002.p.80)

Uma outra alternativa que a tecnologia apresenta para a facilitação do uso de experimentos em sala de aula como aponta Souza et al. (2011) é o microcontrolador Arduino, pois é um material com baixo custo e grande diversidade de utilização, com plataforma de desenvolvimento de acesso público e gratuito em que através de uma vasta documentação na internet, seja em sites, vlogs, blogs, ou fóruns, é possível controlar luzes, motores, sensores de temperatura, distância, luminosidade, entre outros, sem a necessidade de conhecimento profundo de eletrônica ou programação. O Arduino com suas características se mostra uma ótima plataforma para elaboração de experimentos reais que dispensam a utilização de um laboratório e grandes gastos.

Tento em vista a importância de se utilizar novas tecnologias dentro da sala de aula assim como as vantagens que a utilização de experimentos reais proporcionam ao ensino de Física, este trabalho propõe a elaboração de um circuito que faz uso do Arduino para o controle remoto da velocidade e sentido de rotação de um motor elétrico que pode ser utilizado por professores e alunos como base para diversos experimentos nas áreas de cinemática, mecânica dentre outros.

## Desenvolvimento e montagem do material

Para controlar o motor neste projeto, será utilizado uma técnica chamada de controle via PWM ( Pulse Width Modulation ) onde será usado um sinal digital PWM do Arduino para controlar um circuito que aciona um motor de corrente contínua, esse tipo de técnica busca gerar a partir de um sinal digital um resultado semelhante ao analógico no circuito.

O PWM é um sinal digital na forma de onda quadrada onde a tensão alterna entre 0v e 5v (para o caso do Arduino). O tempo pelo qual a onda permanece na sua tensão máxima é chamado de tempo alto enquanto tempo baixo se refere ao momento em que a tensão é 0v. Controlando o tempo alto sem mudar a frequência da onda, podemos variar a tensão média do sinal, a porcentagem de tempo em que a onda fica em alta é chamada de duty cycle.

Figura 01: Pulso PWM e Duty Cicle.

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No Arduino UNO, apenas os pinos digitais 3,5,6,9,10 e 11 são capazes de gerar um pulso PWM, sendo que os pinos 5 e 6 operam numa frequência maior que as demais.

Figura 01: Pinos PWM no arduino UNO.

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## Quadro de dados 01 : Tabela de frequências PWM do Arduino UNO. Fonte:

https://www.arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite .

## Motores de corrente contínua (DC)

Motores de corrente contínua funcionam de uma maneira simples utilizando ímãs permanentes e bobinas. A figura 03 mostra o princípio básico de funcionamento de um motor DC.

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Figura 02: Esquema de um motor DC simples.

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Esse tipo de motor é facilmente encontrado em lojas de eletrônica, em brinquedos, drives de CD ou DVD, toca fitas etc. Outros tipos de motores comumente utilizados com o Arduino são os motores de passo e o servo motor, porém com propósitos mais específicos e são menos acessíveis que o motor DC utilizado nesse projeto. Para que funcione bem nesse circuito é recomendando motores de baixa potência.

## Lista de Materiais

- -01 Transistor NPN (recomenda-se o TIP-122 ou equivalente);
- - 01 Arduino;
- - 01Protoboard;
- - 01 resistor de 10k 𝛀 ;
- - 01 Motor DC 5v;
- - Cabos Jumper;
- - 02 Baterias 9v;
- - 01 Módulo Bluetooth para Arduino;
- - 02 relés 5v
- - 02 diodos IN4001

## Montagem do equipamento

- O circuito foi montado seguindo o seguindo o esquema representado na figura 04.

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Figura 04: Esquema de montagem do circuito.

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A energia da bateria irá alimentar o motor, porém antes, para um controle de sentido, os polos positivo e negativo da bateria passam cada um por um relé. os relés são interruptores analógicos, a movimentação física deste interruptor ocorre quando a corrente elétrica percorre as espiras da bobina do relé, criando assim um campo magnético que por sua vez atrai a alavanca responsável pela mudança do estado dos contatos. Este possui duas opções o 'normalmente aberto' e 'normalmente fechado', ou seja, caso a bobina do relé não esteja sendo alimentada com sua voltagem definida na fabricação a corrente segue do pino comum para o 'normalmente fechado', quando a bobina é ligada a corrente passa de pino comum para o 'normalmente aberto' (vide figura 07).

Figura 03: Exemplo de funcionamento do relé.

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Desta maneira liga-se os 'NF' dos relés que tem o polo positivo e negativo da pilha um em cada terminal do motor DC, e os 'NA' é ligado de modo que o positivo do 'NA' esteja no terminal que está com o negativo do 'NF' assim como o negativo do 'NA' no terminal que está o positivo do 'NF'. Assim podemos controlar o sentido de giro do motor, simplesmente controlando o estado de duas portas digitais do Arduino, quando essas portas estiverem no estado 'LOW' a corrente faz o caminho 'NF' e quando essas portas estiverem no estado 'HIGH' a corrente faz o

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caminho 'NA', invertendo o sentido do motor. Foram utilizados diodos em paralelo entre o relé e o Arduino para proteger o Arduino da corrente reversa gerada pelo indutor (bobina).

A segunda bateria será utilizada para alimentar exclusivamente o Arduino caso seja necessário e a opção pelo uso de relés para controlar o sentido de rotação de motor em detrimento de uma 'ponte H' foi feita para que houvesse menos resistência no circuito, possibilitando assim mais potência para o motor.

Para controlar a velocidade com o uso do PWM, a ligação é feita antes do relé que recebe o polo negativo da bateria. este pulso é direcionado para a base de um transistor, este pode ser NPN ou PNP, a diferença será apenas na ligação desse transistor, nesta prática utilizamos o transistor NPN que passa a corrente do coletor para o emissor, assim o coletor é ligado ao relé e o emissor a bateria, o pulso PWM fará o papel de abrir e fechar a passagem no transistor, gerando o efeito mostrado na figura 01.

Para aumentar a versatilidade do projeto optou-se pelo uso de um módulo bluetooth para Arduino, possibilitando assim o controle remoto do sistema através de um aparelho celular ou computador compatível com bluetooth . O módulo possui uma instalação simples, basta ligar as conexões RX e TX do Arduino de modo invertido no módulo bluetooth , ou seja, RX do Arduino no TX do módulo e TX do Arduino no RX do módulo e ligar VCC e GND. Alguns módulos bluetooth são alimentados com 3.3v como o que foi usado neste trabalho, deve-se ter atenção na especificação dos componentes utilizados na montagem para que não ocorram falhas e danos ao equipamento. A interface entre o módulo bluetooth e o celular foi feita pelo aplicativo Arduino Bluetooth Controller versão 1.3 , disponível na google play store .

Depois de montado, para que o circuito funcione, é necessário carregar a programação no Arduino, nela foram pré-definidos 3 comandos de velocidade onde o carrinho acelera até a velocidade determinada por 4 segundos e depois retorna com a mesma velocidade para posição inicial. O programa completo está disponível gratuitamente neste link: https://tinyurl.com/y74xh8c3 . O programa foi escrito para que seja de fácil manipulação facilitando o trabalho do professor que queira adaptálo.

## Resultados

O projeto resulta em um circuito muito versátil e seu processo de construção possibilita o aprendizado que pode servir como um ponto de partida para projetos mais ambiciosos.

Na figura 08 é possível ver o circuito ainda sem os relés montado sobre a estrutura de um carrinho, ligado diretamente ao motor do brinquedo. O carrinho se mostrou capaz de manter a velocidade programada em superfície sem obstáculos e respondeu bem aos comandos via bluetooth . Os testes também mostraram que o carrinho é capaz de transpor pequenas rampas com pouca perda de velocidade, o que pode ampliar suas possibilidades de aplicação.

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Figura 08: Etapa de montagem do projeto sobre um carrinho de brinquedo.

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## Considerações finais

O circuito pode ser utilizado para controlar o motor de um carrinho de brinquedo, transformando-o em um carrinho de controle remoto em que é possível pré-determinar sua velocidade, tempo de deslocamento, a sequência de movimento (quando parar, quando se mover, etc) e ser controlado em tempo real. Dessa maneira é possível trabalhar conceitos relacionados a cinemática como movimento retilíneo uniforme e variado, além de conceitos como quantidade de movimento e colisões, tendo em vista que a massa do carrinho pode ser variada enquanto sua velocidade pode ser mantida constante e vice-versa.

Uma atividade que pode ser feita dentro de sala de aula com um carrinho equipado com o projeto, é a determinação de sua velocidade média com o auxílio uma régua e um cronômetro. O carrinho pode ser programado inclusive para mudar de velocidade durante o percurso dando a possibilidade de se trabalhar conceitos como velocidade instantânea e velocidade média. Também é possível utilizar o carrinho para ajudar na interpretação de gráficos, com os alunos podendo descrever em forma de gráfico de posição versus tempo o movimento pré-programado do carrinho, ou até mesmo com o carrinho sendo programado a executar trajetórias correspondentes a gráficos desenhados pelos alunos.

Este projeto pode ser utilizado como base para diversos experimentos em sala de aula, além de servir como introdução aos potenciais da utilização da eletrônica e sobretudo do controlador Arduino para a reprodução controlada de fenômenos físicos com fins didáticos, dando aos professores e alunos uma ferramenta poderosa para a criação de experimentos de baixo custo e grande versatilidade.

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## Referências

ARAÚJO, M. S. T.; ABIB, M. L. V. S. Atividades experimentais no ensino de Física: diferentes enfoques, diferentes finalidades. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 25, n. 2, p. 176-194, jun. 2003.

SOUZA, A. R. de et al. A placa Arduino: uma opção de baixo custo para experiências de física assistidas pelo PC. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 33, n. 1, p.1702-1-1702-5, mar. 2011.

MEDEIROS, A.; MEDEIROS, C.F. Possibilidades e limitações das simulações computacionais no ensino da Física. Revista Brasileira de Ensino de Física , v. 24, n. 2, p. 77-86, 2002.

PENA, F. L. A.; RIBEIRO FILHO, A. Obstáculos para o uso da experimentação no ensino de Física: um estudo a partir de relatos de experiências pedagógicas brasileiras publicados em periódicos nacionais da área (1971-2006). Revista Brasileira de Pesquisa em Educação em Ciências , v. 9, n. 1, 2009.

HIRZEL,T. PWM .Disponível em: &lt;https://www.arduino.cc/en/Tutorial/PWM&gt;. Acesso em: Julho de 2018.

CAVALCANTE M. A.; TAVOLARO, C. R. C.; MOLISANI, E. Física com Arduino para iniciantes, Revista Brasileira de Ensino de Física . vol.33, no.4, São Paulo , 2011.

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