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  • 8/16/2019 Artigo - Balança

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    UTILIZAÇÃO DO ARDUINO COMO PLATAFORMA PRÁTICA NA CONSTRUÇÃO DE UMA BALANÇA

    JAMILLE T. ROCHA*, JENNIFER S. OLIVEIRA*, STEFANNE M. DA SILVA *

    *Laboratório de Instrumentação, Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia, - IFBACampus Vitória da Conquista

     Av. Amazonas, nº 3.150, Bairro Zabelê  –  Vitória da Conquista - BA, CEP 45.030-220

     E-mails: [email protected][email protected][email protected]  

    Abstract  The electronics prototyping platform, Arduino, was utilized through a practical and brief Electronic Instrumentation area teaching and learning process. Themain purpose of this work was the construction of an electronic scale. A circuit was

     prepared constituting a Wheatstone bridge (formed by the type strain gauges ofsensors) a subtractor circuit (formed by the operational amplifier TL 072 and four

    resistors) and a non-inverter circuit (formed by a resistor of , a resistorand also by operational amplifier TL 072). The same was used to measure massin the range 0 Kg to 150 Kg after the elaboration of the instrument, samples were col-lected from the masses and the data acquisition board –  Arduino –  it was used to read-ing these masses from a produced code and programmed. Then the data were linear-ized, reducing errors. It was noticeable that the balance built has great applicability innutritionists' offices in order to collect the bodies of patients and subsequently estab-lish a nutritional diagnosis to them.

    Keywords  Arduino, balance, strain gauge, measurement. 

    Resumo 

    A plataforma de prototipagem eletrônica, Arduino, foi utilizada comomeio prático e preciso para benefício do ensino e da aprendizagem na área da Instru-mentação Eletrônica. A principal finalidade do presente trabalho foi a construção deuma balança eletrônica. Um circuito foi elaborado constituindo-se de uma ponte deWheatstone (formada por sensores do tipo strain gauges de ), um circuito subtra-tor (formado pelo amplificador operacional TL 072 e quatro resistores de ) e umcircuito não inversor (formado por um resistor de , um resistor de e também

     pelo amplificador operacional TL 072). O mesmo foi utilizado para medir massa nafaixa de 0 Kg a 150 Kg. Após a elaboração do instrumento, foram coletadas amostrasde massas e a placa de aquisição de dados –  Arduino –  foi utilizada para fazer a leitura

    destas massas a partir um código produzido e programado. Em seguida, os dados ob-tidos foram linearizados, reduzindo os erros. Foi perceptível que a balança construída possui ótima aplicabilidade em consultórios de nutricionistas, a fim de coletar as mas-sas dos pacientes e posteriormente estabelecer um diagnóstico nutricional aos mes-mos.

    Palavras-chave  Arduino, balança, strain gauge, medição.

    1 Introdução

    Com a organização das pessoas emsociedade, começaram a surgir meios de

     permuta e moedas e, assim, o comércio. Éde se esperar, portanto, que padrões devamsurgir para que exista uma referência de me-dida (Balbinot & Brusamarello, 2012).

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    A instrumentação é a ciência queaplica e desenvolve técnicas para adequaçãode instrumentos de medição, transmissão,indicação, registro e controle de variáveisfísicas em equipamentos nos processos in-

    dustriais (Viana, 1999). A importância daIntrumentação poderia ser resumida em umafrase: “A medição é a base do processo ex-

     perimental.” (...) o processo da medição de

    grandezas físicas é fundamental. Ao projetarum experimento, o indivíduo precisa ser ca-

     paz de especificar a variável física e conhe-cer as leis da física. Depois é necessário o

     projeto ou a aplicação de algum instrumen-to, quando será necessário o conhecimentodessa aplicação (Balbinot & Brusamarello,

    2012).A medição e a instrumentação são

    elementos imprescindíveis na construção deuma balança eletrônica. Para a elaboraçãodesse equipamento, um sensor denominadostrain gauge foi utilizado acompanhado deuma placa de aquisição de dados (Arduino)com a finalidade de se medir massas. O Ar-duino é uma plataforma de prototipagemeletrônica que tem como objetivo ser um

    ambiente de desenvolvimento o mais flexí-vel (...) É destinado a qualquer pessoa inte-ressada em criar objetos ou ambientes inte-rativos. Recomenda-se o uso do Arduinodevido ao fato dele permitir o desenvolvi-mento de inúmeros projetos (...) com baixocusto e com nível de aprendizado acessível(Gomes, 2014). Em termos práticos, o Ar-duino é um pequeno computador que podeser programado para processar entradas esaídas entre o dispositivo e os componentes

    que estejam conectados a ele externamente(MCROBERTS, 2011).

    A balança é o instrumento mais utili-zado para medir o peso ou a massa de umobjeto. Estes equipamentos baseiam suasmedidas, basicamente, na leitura da força

     peso exercida pelos objetos sobre o equipa-mento, devido a deformações ou interaçõesdo próprio objeto com seus sensores. Assimsendo, torna-se vantajoso o desenvolvimen-

    to de uma balança alternativa às já comerci-almente existentes. O equipamento constru-ído para a elaboração do presente artigo uti-

    liza um circuito acessível, de baixo custo eque pode ser facilmente reproduzido.

    Foi utilizado um sensor do tipo straingauge na construção deste circuito. O sensoré um instrumento que detecta ou mede uma

    condição ou propriedade, e grava, indica ouresponde à informação recebida. Ele tem afunção de converter um estímulo em um si-nal mensurável (Vasconcellos, 2005). A ex-tensometria é o método que utiliza o princí-

     pio da relação que existe entre tensões e de-formações em corpos submetidos a solicita-ções mecânicas (...) o objetivo é a mediçãodas deformações superficiais dos corpos, aqual está relacionada com a força mecânica.Em 1931, Carlson desenvolveu o primeiro

    extensômetro de fio (unbonded strain gau- ge) (...) que deu origem ao extensômetro deresistência elétrica (electrical bonded strain

     gauge)  mais utilizado nos dias atuais. (...)extensômetros de resistência elétrica são

     baseados na variação da resistência de umcondutor ou semicondutor quando sujeito àtensão mecânica (Balbinot & Brusamarello,2012). Considerando-se as características dodispositivo e extensômetro strain gauge foi

     propício o desenvolvimento de uma balançaeletrônica. Como enunciado anteriormente, as

     balanças são equipamentos que servem paraa medição da massa e, atualmente, existemdiversos modelos e tamanhos. São excelen-tes equipamentos de uso profissional para oacompanhamento e monitoramento da saúdefísica. Para que seja possível um nutricionis-ta estabelecer um diagnóstico nutricional,enfatiza-se que o profissional deva utilizar

    todos os dados coletados, pois estes corres- pondem à conclusão dele, quanto à avalia-ção do paciente. A balança é um equipamen-to essencial que deve estar presente nos con-sultórios de nutricionistas e é importanteobservar a escolha de balanças que permi-tam uma avaliação mais rápida e precisa,como os modelos de balanças digitais, evi-tando-se erros comuns de leitura e medição(Bagni & Barros, 2011). 

    Desta forma, a justificativa para aconstrução de uma balança utilizando umsensor strain gauge, através de um circuito

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    subtrator ligado a um circuito não inversor,foi a utilização desta balança em consultó-rios de nutricionistas. Sua finalidade é a co-leta de dados (massas dos pacientes) nestesambientes para que seja possível a posterior

    avaliação do mesmo e o estabelecimento deum diagnóstico nutricional.

    2 Metodologia

    É possível implementar um sensor demassa utilizando uma ponte de Wheatstone,um circuito subtrator e um não inversor. A

     ponte consiste basicamente num circuitocom quatro braços, arranjados de tal formaque ao aplicar uma tensão, possa-se detectarseu desequilíbrio, ou seja, a variação de ten-são entre os seus dois pontos centrais. O cir-cuito subtrator e o não inversor foram dese-nhados de forma que a variação de tensãogerada na ponte seja extensionada até nomáximo , que é a tensão limite suportada

     pelo Arduino Uno. Este circuito eletrônico permitirá converter a variação da tensão,decorrente da variação de resistência, em umsinal analógico compatível com o microcon-

    trolador, para que este consiga interpretar amassa medida nos strain gauges.

    A ponte de Wheatstone foi construí-da com quatro strain gauges, de maneira quequando ocorra o aumento da pressão, doisfiquem em expansão e dois em compressão,e alimentada com uma fonte de tensão con-tínua de , conforme a Figura 1. As equa-ções (1), (2), (3) e (4) demonstram que a

     ponte fornecerá um valor linear. A variaçãode resistência dos strain gauges é da ordemde miliohms, consequentemente o sinal desaída da ponte em termos de tensão será demilivolts, sendo necessário, assim, realizar aamplificação deste sinal.

    Figura 1 –  Ponte de Wheatstone formada por quatrostrain gauges.

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    O circuito subtrator foi projetado uti-lizando um amplificador operacional do tipoTL O72 e quatro resistores de 47 , de mo-do que o seu ganho ficou condicionado em1. O circuito não inversor foi projetado uti-lizando um amplificador operacional do tipoTL O72, um resistor de e um de ,de forma que o seu ganho ficou condiciona-do em O subtrator e o não inversor

     podem ser observados na Figura 2. A saídafinal está descrita na equação (5).

    (5)

    Figura 2 –  Circuito subtrator ligado ao circuito nãoinversor.

    Em termos práticos, o circuito foi

    montado numa placa de Protoboard, e emseguida conectado ao Arduino Uno, que estáse comunicando com o IDE. A saída do am-

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     plificador operacional foi conectada a umadas entradas analógicas do microcontrola-dor, esta entrada é um conversor A/D (ana-lógico para digital), que lê o valor de tensão

     presente em seu terminal, que pode variar

    entre à , e converte para uma palavradigital. Como o conversor A\D do ArduínoUno oferta bits de resolução, a palavradigital vai variar de à , proporcionalao sinal de entrada. A entrada analógica uti-lizada foi a A .

    Após a montagem do instrumento,com a utilização de multímetro, foram cole-tadas dezenove amostras de peso, e cada pe-so foi relacionado ao valor da tensão de saí-da. A Tabela 1 mostra os valores obtidos.

    TENSÃO(V)

    PESO(Kg)

    0,082 00,156 2,000,223 4,000,300 6,000,392 8,000,464 10,000,526 12,00

    0,603 14,000,674 16,001,000 25,801,137 29,751,341 35,351,447 37,851,650 43,451,810 47,702,075 55,15

    3,013 80,253,246 84,404,052 102,20

    Tabela 1  –  Valores obtidos dos pesos (em Kg) e asrespectivas tensões (em V).

    A sensibilidade do instrumento pode ser calculada a partir da equação (6).

    A resolução do digitalizador doArduino pode ser calculada a partir da equa-

    ção (7), onde é o número de bits do digi-talizador.

    A resolução ( em Kg do instru-

    mento pode ser calculada com a equação.

    3 Resultados e discussão 

    Os dados obtidos relacionados naTabela 1 foram linearizados, utilizando-se oSoftware Excel, com a finalidade de obter aequação da curva que passe o mais próximodos pontos, minimizando ao máximo os er-ros.

    A Figura 3 demonstra o resultado ob-tido através da linearização dos pontos daTabela 1. E a equação (9) descreve o resul-tado obtido na linearização dos pontos.

    Onde x é o termo que correspondeao valor gerado pelo conversor. E y é o ter-mo correspondente ao valor do peso.

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     Figura 3 –  Gráfico (Peso x Tensão) geradoa partir da linearização dos pontos da Tabe-

    la 1.

    4 Conclusão

    A aplicação de novas ferramentas para aprimorar o ensino e aprendizagem dosalunos é essencial. Neste trabalho foi apre-sentada uma metodologia para o estudo dosconteúdos da disciplina de InstrumentaçãoEletrônica utilizando o Arduino.

    Uma balança eletrônica foi desen-volvida, a partir de um circuito montadocom quatro sensores strain gauge, ligadosem ponte, um subtrator e um não- inversor.O sinal captado é um valor de tensão, em

    volts, que é convertido em uma palavra digi-tal pelo conversor do Arduino, e por meioda equação de linearização, encontrada utili-zando-se o software Excel, é possível con-verter este valor de tensão em seu respectivovalor de massa, dada em quilogramas.

    O circuito montado, ao ser conectadoao Arduino, sofreu um deslocamento positi-vo da tensão inicial na saída, o que pode serassociado a uma possível interferência noganho do circuito. Como alternativa para asolução deste problema três buffers foramadicionados ao circuito, dois nas entradas doamplificador subtrator, e um na saída doamplificador não inversor.

    As modificações realizadas não sur-tiram o efeito desejado, e a tensão inicial desaída continuou sofrendo interferênciasquando o circuito era conectado ao Arduino.

    Devido a esses problemas, ficou in-viável realizar a conexão adequada do cir-

    cuito projetado ao Arduino, tendo em vistaque os resultados obtidos de massa na inter-face IDE oscilavam muito.

    Em termos práticos, a balança apre-sentou boa funcionalidade, variando consi-deravelmente bem a tensão de saída, quandosubmetida a variações de massa. Ainda as-sim, a balança eletrônica projetada pode ser

    utilizada em consultórios de nutricionistas, pois ela é essencial para fornecer um diag-nóstico nutricional com maior confiabilida-de.

    5 Agradecimentos

    À Deus por nos ter dado saúde e for-ça para superar as dificuldades.

    Ao Instituto Federal de Educação,Ciência e Tecnologia da Bahia - IFBA, seucorpo docente, direção e administração queoportunizaram a janela na qual vislumbra-mos um horizonte superior.

    Ao professor Wilton Lacerda, pelosuporte, pelas suas correções e incentivos.

    Aos colegas pelas valiosas discus-sões e sugestões no decorrer do trabalho.

    Aos pais, pelo amor, incentivo eapoio incondicional.

    Referências Bibliográficas

    1.  Balbinot, a., & Brusamarello.(2011). Instrumentação e Fundamentos deMedidas. Rio de Janeiro: LTC;2.  Gomes, Márcio Luciano Santos Sil-va. Conceitos, referências e programações

     básicas com Arduino / Márcio Gomes.  –  Porto Alegre: SMED, 2014. 83 p.: il;3.  MCROBERTS, Michael. Arduino

    Básico. (2011). [tradução Rafael Zanolli].  –  São Paulo: Novatec Editora, p. 22 –  24;4.  VASCONCELLOS, Ricardo Mene-zes de. Uma balança eletrônica digital im-

     plementada em dispositivo lógico progra-mável. In: Congresso Brasileiro de Ensinode Engenharia, XXXIII, 2005, CampinaGrande –  PB;5.  BAGNI, U. V.; BARROS, D. C. Es- pecificações de equipamentos antropométri-

    cos para estabelecimentos de saúde. Rio deJaneiro: Escola Nacional de Saúde PúblicaSergio Arouca, 2011.

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