Montagem do Pêndulo de Precisão: Interfaces eléctricas

Interfaces elétricas

Esta secção descreve os componentes elétricos usados para operar o aparato experimental. De forma geral, cada lançador consiste em:

• um Raspberry Pi (ou computador com Linux): faz a interface entre o microcontrolador e o Homem (por exemplo, por conexão direta a uma consola) ou servidor de e-lab via Internet.
• um microcontrolador (dsPic): faz a interface entre os componentes elétricos (incluindo o motor de passo) e o computador.
• componentes elétricos complementares: laser, microinterruptor, sensor fotoeléctrico (também conhecido como fotodiodo), lâmpada, sensor de temperatura e display de 7 dígitos.

Consulte Elementos para uma descrição detalhada. Estes componentes são a interface entre o aparato experimental e o microcontrolador, ao mesmo tempo que fornecem tanto formas de controlar o pêndulo como recursos de medição.

Veja a subsecção Conexões para detalhes sobre como conectar os componentes elétricos.

O sensor fotoeléctrico/fotodiodo e o alinhamento do laser são descritos na subseção Fotodiodo e alinhamento do laser. Mais particularmente, os fotodiodos foram escolhidos devido às suas características de transição mais rápida, reduzindo o seu jitter geral e, consequentemente, o erro aleatório.

Isto deve ser executado somente após ter sido ligado o microcontrolador. Leia a secção Consola de interface para o microcontrolador primeiro.

Elementos

Esta subsecção descreve os diferentes elementos elétricos da experiência:

• Raspberry Pi (RPi): Dispositivo que executa o Linux para permitir a conexão remota com a experiência, bem como uma forma simples de interagir com o microcontrolador. O microcontrolador e as conexões dos cabos planos correspondentes são projetados para o Raspberry Pi 3 modelo B, que possui as conexões de pinagem conforme descrito em https://www.raspberrypi.org/documentation/usage/gpio. O Raspberry Pi também é usado para alimentar o microcontrolador, como tal, deve ser usada uma fonte de alimentação de +5 V com pelo menos 2,5 A.

• Cartão SD: O cartão SD vem com o sistema operacional Linux e todos os programas adicionais necessários. Deve ser um cartão industrial com especificações robustas.
• Placa do microcontrolador: Esta placa contem um microcontrolador (dsPic33F) tal como todos os componentes periféricos necessários para o controlo da experiência. A placa pode ser alimentada usando um cabo plano conectado ao Raspberry Pi ou por uma conexão USB (um jumper integrado é usado para selecionar a fonte de alimentação, a posição padrão corresponde à do cabo plano/fonte Raspberry). A placa contem 4 LEDs: 2 vermelhos, 1 azul e 1 verde. Os LEDs vermelhos indicam se a alimentação está conectada à placa. Observando as figuras abaixo, o LED vermelho da esquerda corresponde aos +5V que alimentam a placa do microcontrolador. O LED vermelho da direita corresponde aos +12V que alimentam o motor de passo. Os LEDs azul e verde (no topo da figura) são usados para a saída de informação pelo microcontrolador durante o tempo de execução da experiência. O LED azul (esquerda) acende quando o microinterruptor é pressionado, i.e., quando a pá está na posição de origem. O LED verde (direita) acende quando fotodiodo está activo (a conduzir), i.e., quando é acionado pelo laser. Os LEDs azul e verde também são usados ​​para dois outros casos: (i) no arranque e (ii) para indicar que o microcontrolador está em estado de erro. No arranque, os LEDs piscam 5 vezes com um período de 400ms e em estados alternados (quando o LED azul está LIGADO, o LED verde está DESLIGADO e vice-versa). Para indicar um estado de erro, os LEDs piscam por um período de cerca de 2s.

• Webcam: A webcam é usada para fornecer streaming de vídeo ao vivo durante a execução da experiência. É conectada ao Raspberry Pi por meio de um cabo USB. O RPi realiza a codificação e envia esta informação pela Internet.

• Lâmpada: A lâmpada consiste numa lâmpada LED de 12 V localizada acima do lançador. Esta lâmpada acende durante a execução da experiência para iluminar o pêndulo e o lançador (especialmente útil se a experiência for realizada durante a noite).

• Motor de passo: O motor de passo é parte do lançador e é controlado pelo microcontrolador através de um quad 1/2 H bridge driver. O motor de passo é responsável pelo deslocamento da pá.

• Microinterruptor: O microinterruptor está localizado na origem, próximo dos 0cm da escala métrica do lançador. É usado para indicar ao microcontrolador que a pá atingiu a origem e não pode avançar mais no sentido inverso (fim do seu percurso).

• Laser: O laser está localizado aproximadamente no centro do lançador. Em conjunto com o fotodiodo, o laser é usado para medir o período de oscilação bem como a localização da pá. Este laser possui uma regulação para o foco, pode ser ajustado girando a lente.

• Sensor fotoeléctrico (também conhecido como fotodiodo): Está localizado na frente do laser. O pêndulo viaja entre estes interrompendo a luz do laser periodicamente, o que resulta numa mudança de estado no pino de entrada do microcontrolador. Assim, sabendo o seu diâmetro de antemão, é possível medir o período do pêndulo e a sua velocidade. NOTA : Evite a luz solar direta ou áreas extremamente luminosas na frente deste sensor.

• Sensor de temperatura: Está localizado na caixa DB25 para medir a temperatura ambiente. A temperatura ambiente influencia o comprimento do pêndulo. Portanto, é importante monitorizá-la para medições de alta precisão.

• Display: O display de 7 dígitos mostra o número total acumulado de oscilações. Consiste em 8 dígitos, cada um deles com um display de 7 segmentos. Algumas das versões da placa do microcontrolador permitem a ligação do display diretamente à placa a partir do exterior da caixa.

• Fonte de alimentação: O motor de passo requer uma fonte de alimentação externa de +12V capaz de fornecer 2A.

• Botão Iniciar: Permite iniciar localmente uma experiência com uma configuração predefinida (deslocamento inicial de 10 cm, 20 oscilações). Deve ser usado um cronómetro externo como complemento para fornecer o tempo.

Conexões

Esta subsecção mostra como estão conectados entre si os componentes e os cabos.

• RPi: O Raspberry Pi liga-se aos elementos seguintes:
  • Fonte de alimentação (via conector micro USB)
  • Internet (via cabo Ethernet)
  • Webcam (via cabo USB)
  • Placa do microcontrolador (via cabo plano dedicado)

• Cabo plano dedicado: Estabelece a ligação entre a placa do microcontrolador (dsPic), o RPi e o monitor. No lado do microcontrolador, o cabo possui um conector DB25.

No lado do RPi, o cabo é um conector de 2x20 pinos para garantir uma conexão correta, como se pode observar nas figuras abaixo.

Na extremidade do display, o conector é um conector 1x5. Certifique-se de que o lado do conector está correto antes de ligar ao display: o pino VCC do display conecta-se ao fio que está destacado (neste caso, com um traço azul). A figura abaixo ilustra o referido. Algumas versões permitem que o monitor seja conectado diretamente à caixa do microcontrolador. Nesses casos, o display deve ser conectado conforme se pode observar abaixo, no lado direito.