#3 Série “Ciência na Cozinha” - Forno Solar com Arduino

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Proposta
Prototipar e avaliar a eficiência e eficácia de fornos solares como alternativa sustentável aos fornos convencionais.

 

 Imagem: Forno Solar. Fonte: Wikipedia.org

Objetivos

• Promover o desenvolvimento da criatividade, pesquisa, colaboração e resolução de problemas.
• Desenvolver a atitude científica (observar; descrever; comparar; formular perguntas, hipóteses e previsões; planejar experimentos; analisar resultados; construir modelos explicativos; interpretar e usar informações científicas; argumentar com evidências; produzir textos no contexto das ciências).
• Pesquisar e conhecer diferentes situações socioeconômicas da região em que o estudante vive (escola, bairro, rua, cidade, etc.).
• Explorar conceitos e fenômenos associados à termodinâmica (calor; temperatura; sensação térmica; materiais condutores e isolantes; propagação, reflexão e absorção de ondas eletromagnéticas/ infravermelhas).
• Investigar possibilidades de energias sustentáveis com aplicações tecnológicas simples e baratas para executar tarefas do dia a dia.Utilizar tecnologias digitais para estudar e controlar características do cozimento com fornos solares.

Descrição
O professor irá propor a investigação e avaliação da produção e uso de fornos que utilizam o sol como fonte de energia térmica como alternativas tecnológicas mais sustentáveis, além de serem de baixo custo. Também é possível discutir aspectos socioeconômicos das comunidades em que os estudantes vivem, levantando uma discussão a partir de dados científicos coletados junto aos moradores (famílias, comerciantes, trabalhadores estudantes, etc.). Destacamos que um projeto como este tem grande potencial de estimular comportamentos e atitudes empreendedoras como identificar problemas, propor e implementar soluções adequadas/viáveis aos problemas identificados.

ESTRUTURA RESUMIDA

Etapa I - Planejamento do Projeto Forno Solar (90 minutos)

• Sensibilização inicial sobre formas cozimento.
• Pesquisa sobre fontes de energia utilizada para o cozimento de alimentos.
• Planejamento de pesquisa com público-alvo selecionado.
• Pesquisa sobre funcionamento e construção de fornos solares.

Etapa II - Protótipo de Forno Solar PARTE I (90 minutos)

• Finalizar pesquisa sobre funcionamento e construção de fornos solares.
• Elaborar desenho esquemático de protótipo (em papel ou software 3D).
• Listar recursos necessários para confecção dos protótipos.
• Introduzir tecnologia Arduino para aprimorar projeto.

Etapa III - Protótipo de Forno Solar PARTE II (90 minutos)

• Confeccionar protótipo de forno solar.
• Implementar tecnologia Arduino no forno.
• Realizar testes iniciais.

Etapa IV-A - Testar Forno Solar (90 minutos)

• Testar protótipo de forno solar.
• Coletar dados para análise da eficiência e eficácia.
• Pré-analisar e registrar os resultados.

Etapa IV-B - Testar e Avaliar Forno Solar (90 minutos)

• Avaliar testes e dados coletados.
• Produzir e organizar relatório* do projeto (textos, desenhos, vídeos, fotos, entre outros).
• Planejar ações futuras (propor/organizar workshop, planejar novos testes, entre outros).

** NA ÚLTIMA PÁGINA DO DOCUMENTO COMPLETO, DISPONÍVEL NO LINK A SEGUIR, HÁ INDICAÇÕES DE RELAÇÕES COM A BNCC**

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Projetando uma casa ideal - Parte IV (Bluetooth + App Inventor)

Nessa postagem iremos aprender como monitorar a temperatura dos sensores (DS18B20) através do celular, utilizando um módulo Bluetooth (HC-05) e o App Inventor para criar a interface do monitor serial.

Para isso iremos utilizar:

• Arduino UNO
• Módulo Bluetooth HC-05
• Sensor de temperatura (DS18B20) 
• Conversor de nível lógico I2C 3,3V - 5V bidirecional

A montagem física do nosso projeto ficará assim:

E o código para o sensor de temperatura:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define ONE_WIRE_BUS 2
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

float temp; 

 
void setup(void){
    
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
}
 
void loop(void){
  sensors.requestTemperatures(); 
  temp = sensors.getTempCByIndex(0);
  Serial.println(temp);

}

Obs.: Quando fizer  upload do código para o Arduino, não esqueça de desconectar os jumpers TX e RX do Bluetooth, pois o Arduino utiliza os mesmos pinos para se comunicar com o PC.

Se não tiver as bibliotecas do sensor instaladas, siga o passo a passo no post "Projetando uma casa ideal - Parte III".

Agora vamos projetar o aplicativo para monitorar os valores de temperaturas pelo celular utilizando o App Inventor. Acesse o link do App Inventor, clique em "Projetos > Iniciar novo projeto..."

Na aba designer, você poderá criar um layout de sua preferência. Pela simplicidade de edição, você poderá criar ou modificar o layout de maneira bem intuitiva, utilizando as funções do lado esquerdo da tela. Como sugestão de layout:

Depois de criar o layout do aplicativo, clique no botão "blocos" no canto superior esquerdo da tela. Aqui você irá programar as funções de cada botão do aplicativo. Para programar a função de um botão, procure-o no lado esquerdo da tela. Ao clicar nele, abrirá uma aba com as funções que o botão poderá executar. 

A primeira parte do programa é genérico. Vamos configurar o aplicativo para que acione o Bluetooth do celular caso ele não esteja ligado e, se estiver ligado, mostre uma lista de endereços para conectar. Para o layout deixado como sugestão, temos uma opção de programação abaixo:

Após finalizada a programação, clique em "Compilar" e escolha se deseja baixar o .apk por QR Code diretamente no celular ou fazer o download no PC.

Antes de procurar o módulo HC-05 na lista de dispositivos, você deverá parear o HC-05 com seu dispositivo. Vá em configurações de Bluetooth, procure pelo módulo HC-05 e faça o pareamento (senha 1234). Após realizar o pareamento no dispositivo, abra o aplicativo, clique em "conectar" e selecione o HC-05 na lista. Você pode modificar o aplicativo colocando plano de fundo, ícone, sons, etc. Este aplicativo também se encontra na galeria do App inventor. Clique AQUI.

 

Projetando uma casa ideal - Parte III (Sensor de Temperatura DS18B20 + Buzzer)

Nossa postagem vamos emitir um sinal sonoro a partir de determinado valor de temperatura. Esse sistema pode ser útil como forma de alarme para prevenção de incêndios por exemplo. Em nosso projeto vamos usá-lo para estudar o conforto térmico de um protótipo de residência em escala reduzida (1:16).

Para isso vamos usar:

• Sensor de temperatura DS18B20
• Buzzer/speaker
• Arduino Uno 

 Veja como fica a montagem do sistema:

Nosso objetivo foi fazer com que a partir de determinada temperatura (no exemplo "temperatura > 29ºC") o buzzer começasse e emitir determinado sinal sonoro. Colocamos um "bip" repetindo a cada meio segundo (50ms) enquanto a temperatura indicada pelo sensor fosse maior do que 29ºC. O código que engloba esses dois sistemas segue abaixo:

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
#define ONE_WIRE_BUS 2
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

float temp; 
const int buzzer = 8;
 
void setup(void){
  pinMode(buzzer,OUTPUT);  
  Serial.begin(9600);
  sensors.begin();
}
 
void loop(void){
  sensors.requestTemperatures(); 
  temp = sensors.getTempCByIndex(0);
  Serial.println(temp);

//o código a seguir verifica se a temperatura é maior do que 29. Se for (if) ela ativa o buzzer na frequencia de 150Hz a cada meio segundo (50ms); Senão (esle) ela mantém o buzzer desligado (noTone);
  if (temp > 29){ tone(buzzer,150); delay(50); noTone(buzzer); delay(1000);}
  else    { noTone(buzzer); delay(1000);}
}

Importante: verifique se sua Arduino IDE possui as bibliotecas < OneWire.h > e < DallasTemperature.h > instaladas. Caso contrário o programa não irá funcionar. Caso não estejam você pode facilmente importá-las pelo menu < Sketch > , < Incluir biblioteca > , < Gerenciar bibliotecas... >. Procure pelas bibliotecas indicadas e faça a instalação. Após isso o programa deve funcionar corretamente.

Nossa montagem ficou da seguinte forma:

Fizemos alguns testes com o sistema. Você pode conferir no vídeo a seguir. Preste atenção no monitor plotter do Arduino. Quando a temperatura passar dos 29ºC um "bip" começará a soar em intervalos de meio segundo.

Em projetos futuros pretendemos acoplar mais sensores de temperatura para comparar os efeitos do isolamento térmico em diferentes configurações e materiais usados na composição do projeto da casa ideal.

Projetando uma casa ideal - Parte II (Testando sensor de Temperatura DS18B20)

Um dos aspectos que envolvem projetar uma casa ideal é o conforto térmico. Para avaliar o conforto térmico de nosso projeto vamos usar sensores de temperatura compatíveis com o Arduino. Nessa postagem vamos apresentar alguns testes feitos com o DS18B20, que possui precisão de duas casas decimais. Ou seja, a precisão se dá em centésimo de grau Celsius (0,01 ºC).

Realizamos a ligação do sensor com o Arduino conforme o esquema a seguir:

Quando for realizar a conexão verifique a configuração dos pinos (+) que representa a tensão de 5V, (-) que representa o terra ou GND e (s) que representa o sinal. No módulo que usamos já contém a ligação do resistor apresentado na figura, o que facilita a montagem. 

Nossa montagem de testes ficou da seguinte maneira:

 

No caso usamos uma lâmpada incandescente de 25W como fonte de calor para avaliar o desempenho do sensor. Também usamos um termômetro de mercúrio para verificar a precisão do sensor.  

A seguir temos um gráfico gerado por cerca de 8 minutos (~500 segundos) a partir do monitor plotter da Arduino IDE. Observe que fizemos alguns testes pressionando o sensor com os dedos indicador e polegar por alguns segundos (setas verdes) e também acendendo uma lâmpada a partir da seta vermelha.

Note que o eixo vertical representa a temperatura em ºC e o eixo horizontal o tempo em segundos (s).

O código que controla o sensor DS10B20 no Arduino segue abaixo. Não esqueça de verificar se as bibliotecas < OneWire.h > e < DallasTemperature.h > estão instaladas na IDE do Arduino.

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>
 
#define ONE_WIRE_BUS 2
 
OneWire oneWire(ONE_WIRE_BUS);
 
DallasTemperature sensors(&oneWire);
 
void setup(void)
{
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Dallas Temperature IC Control Library Demo");
  sensors.begin();
}
 
void loop(void)
{
  Serial.print(" Medindo temperatura...");
  sensors.requestTemperatures();
  Serial.println("FEITO");
  Serial.print("Temperatura é: ");
  Serial.print(sensors.getTempCByIndex(0)); 
    delay(1000);
}

Clique aqui para fazer o download do código.

Agora já sabemos ligar o sensor DS18B20 no Arduino. Podemos associar dois ou mais sensores para realizar medições de conforto térmico em diferentes configurações da casa que construimos na Parte I do projeto da casa ideal.