SONDA ESPACIAL MICROCONTROLADA DE BAIXO CUSTO: POTENCIALIZANDO A APRENDIZAGEM EM CINEMÁTICA NO ENSINO DE FÍSICA

## SONDA ESPACIAL MICROCONTROLADA DE BAIXO CUSTO: POTENCIALIZANDO A APRENDIZAGEM EM CINEMÁTICA NO ENSINO DE FÍSICA

## Thaíse Silva Alves 1 , Bruno Leonardo do Nascimento-Dias 2 , Virgilio de Carvalho dos Anjos 3

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Departamento de Engenharia/UFJF, thaise.silva@engenharia.ufjf.br

2 Departamento de Física/UFJF, bruno.astrobio@gmail.com

3 Departamento de Física/UFJF, virgilio.anjos@ufjf.edu.br

## Resumo

A robótica educacional estabelece um ambiente multidisciplinar que favorece a identificação e resolução de problemas do mundo real. Várias são as áreas que se utilizam da robótica educacional para ampliar as possibilidades de aprendizagem. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o processo de criação de uma sonda espacial simulada e apresentar a sua aplicabilidade à área de ensino de física. Para o desenvolvimento da simulação de uma sonda espacial foi utilizada uma placa de microcontrolador simples ESP32, um sensor ultrasônico HC-SR04. Para o desenvolvimento da interlocução entre as estruturas de hardware e os componentes que serão acoplados na sonda espacial simulada foi utilizada a linguagem de programação em C++. Por fim, com base nas estruturas que compõem o carrinho, que simula uma sonda espacial, é possível utilizá-lo em diversos modos de operação, mas destacam-se os conteúdos pedagógicos de mecânica no ensino de física.

Palavras-chave : Robótica, Engenharia, Ensino de Física, Simulação de Sonda Espacial, Arduino, Sensor Ultrassônico, Cinemática;

## Introdução

Sistemas microcontrolados são, em geral, plataformas de computação física de código aberto (O'Sullivan e Igoe, 2004), que se baseiam em uma placa de microcontrolador simples e um ambiente de desenvolvimento que implementa a linguagem de processamento. Sistemas como esses podem ser autônomos ou podem se comunicar com software rodando em um computador (Arduino, 2021). É importante destacar que de um modo geral esses sistemas são atualmente usados para desenvolver objetos interativos.

A utilização de um microcontrolador em um carrinho como meio de simular uma sonda espacial de baixo custo, pode em vários níveis de ensino, ajudar a melhorar o interesse de construção / projeto de coisas (Heidt et al., 2000). É inegável dizer que o computador é uma importante ferramenta cognitiva que permite ao estudante desenvolver habilidades, interiorizar conhecimentos e organizá-los de modo a construir uma interpretação do mundo que o cerca (Severino, 2006). Assim, atividades como essas podem aumentar o estímulo e diminuir a abstração dos diversos conceitos da Física, sendo ainda válido salientar que com uma placa ESP32, mais alguns outros componentes e um pouco de imaginação, as possibilidades são praticamente ilimitadas.

19 a 30 de julho de 2021 - Online

## Materiais e métodos

A sonda espacial será simulada através de um carrinho equipado de um microcontrolador ESP32 e um sensor ultrassônico HC-SR04. O microcontrolador ESP32 serve de comunicador entre as peças e o software como uma espécie de microcomputador. Este dispositivo é uma placa de microcontrolador simples de baixo custo e baixo consumo de energia fabricado pela empresa Espressif Systems, que possui conexão Wireless Fidelity (WiFi) padrão 802.11 b/g/n e Bluetooth (Kolban, 2017). Vale salientar que sistemas microcontrolados são, em geral, plataformas de computação física de código aberto e neste caso a plataforma de desenvolvimento que contém o microcontrolador ESP32 é o NodeMCU-32S (Figura 1).

Figura 1 - Plataforma de desenvolvimento NodeMCU-32s. Fonte: KOYANAGI, (2018.)

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Na Figura 2 é apresentado o sensor ultrassônico usado no carrinho e possui como função principal fornecer informações de distância para controle de direção e localização em curtas distâncias, podendo servir também como detector de obstáculo ou radar. O funcionamento do sensor é baseado na reflexão de ondas sonoras, ou seja, são enviadas ondas de 40kHz que após atingir o objeto em sua frente retornam como eco. Dessa forma, a distância é calculada através do tempo de demora dessa resposta.

Figura 2 - Imagem do dispositivo HC-SR04 usado para medir distâncias

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Por fim, o microcontrolador e o sensor integrado são partes que necessitam de comandos para realizar suas atividades. Para isto, é utilizado a Integrated Development Environment (IDE) do Arduino que é um software de código aberto utilizado para o desenvolvimento da programação ESP (Figura 3). Dessa forma, a interlocução entre as estruturas de hardware e os dispositivos será promovida pela IDE Arduino, particularmente neste trabalho, utilizando linguagem de programação em C++.

Figura 3 - Ambiente de desenvolvimento de texto para escrita do código.

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## Resultados e discussão

Com base nos conceitos de Física, esta sonda espacial de baixo custo, pode ser utilizada para aprendizagem de conteúdos de mecânica. Sabendo a distância do ponto de partida até o ponto de chegada, os alunos podem através de um cronômetro simples obter informações sobre a velocidade adquirida da sonda durante este processo. Assim, com os dados em mãos é possível analisar se houve aceleração, portanto um MRUV (Movimento Retilínio Uniformemente Varável) ou, se a velocidade foi constante, caracterizando MRU (Movimento Retilíneo Uniforme). Dessa forma, os estudantes conseguem de maneira lúdica aprender os conceitos de deslocamento, velocidade, tempo e aceleração.

Figura 4 - Imagem do carrinho utilizado como sonda espacial simulada

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## Considerações finais

A vivência das etapas de um projeto espacial como este possui inúmeros efeitos sobre os discentes. Aos discentes que desenvolvem o projeto é necessário aprender a escolher os componentes, elaborar os circuitos embarcados, fazer a integração dos componentes, projetar a estrutura, testar todo o sistema, preparar o

## XXIV Simpósio Nacional de Ensino de Física - SNEF 2021

equipamento e, finalmente, analisar os dados científicos obtidos. Isso ajuda a desenvolver o respeito e vislumbrar a importância dos conceitos da Física e suas aplicações. Aos discentes do ensino médio, é possível compreender de forma prática o que está sendo estudado com menor abstração e ter uma experiência empírica-multidisciplinar.

## Referências

Arduino, "Introduction: What is Arduino?" Site: https://www.arduino.cc/en/guide/introduction. Acessado em 10/01/2021

Heidt, H., Puig-Suari, J., Moore, A., Nakasuka, S., &amp; Twiggs, R. (2000). CubeSat: A new generation of picosatellite for education and industry low-cost space experimentation.

Kolban, N. Kolban's Book on ESP32. USA, Ed. Leanpub, 2017.

Koyanagi, F. ESP32: Detalhes internos e pinagem. 2018. Acessado em 15/04/2019. Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=RmMTF9-Flaw.

O'Sullivan, D., &amp; Igoe, T. (2004). Physical computing: sensing and controlling the physical world with computers. Course Technology Press.

Severino, E. Z. G. (2006). Recursos virtuais em aulas de laboratório de física. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo.