Introdução
Neste post você vai ver como é fácil medir a velocidade do som no ar com o sensor ultrassônico HC-SR04 e mostrar o valor na tela do celular em tempo real.
Medindo o tempo de ida e volta do pulso ultrassônico emitido pelo sensor até obstáculo à sua frente, podemos utilizá-lo para medir a velocidade do som local.
Medindo o tempo de ida e volta do pulso ultrassônico emitido pelo sensor até obstáculo à sua frente, podemos utilizá-lo para medir a velocidade do som local.
Materiais necessários
Para a demonstração da prova de conceito vamos precisar dos seguintes materiais:
1 Sensor Ultrassônico HC-SR04 (~R$ 10,00);
1 Plaquinha Espduino-32 (R$~60,00);
1 Protoboard para montagem do circuito (~R$ 10,00);
4 Conectores tipo jumper;
1 Régua milimetrada de 30 cm;
1 PC ou Notebook e cabo USB para enviar o código;
1 Celular para visualizar as medições.
Para criar e enviar o código para o microcontrolador vamos utilizar o Mixduino32, IDE gráfico de programação em blocos. E para visualizar o valor da velocidade som no Celular vamos criar um display virtual com o Aplicativo Blynk.
O sensor HC-SR04 é uma peça muito simples que funciona em conjunto com um microcontrolador, enviando um pulso ultrassônico (40 KHz) através do pino (Trig) e coletando o sinal refletido pelos objetos, eco no Pino (Echo).
Os fios vermelho e preto que estão conectados aos pinos 5V e Gnd (Terra) fornecem energia ao sensor.
Por que medir a velocidade do som no ar?
Primeiro é importante relembrar que o som é uma onda mecânica que se propaga no ar com uma velocidade constante (~343 m/s) ao nível do mar (pressão de 1 atm) e temperatura de 20º C, mas pode variar para diferentes condições climáticas de temperatura, umidade, pressão atmosférica ou altitude.
Em outras palavras, se você quer construir uma régua ultrassônica com alta precisão para medir distâncias, calcular nível, vazão etc. Então é preciso saber a velocidade do som no ar local, já que para calcular distâncias, é preciso conhecer o valor da velocidade do som.
Em outras palavras, se você quer construir uma régua ultrassônica com alta precisão para medir distâncias, calcular nível, vazão etc. Então é preciso saber a velocidade do som no ar local, já que para calcular distâncias, é preciso conhecer o valor da velocidade do som.
A aplicação do Conceito
No nosso caso, vamos utilizar o tempo de duração do sinal para calcular a velocidade do som no ar local. Para isso vamos manter o sensor a uma distância fixa do objeto, o que podemos fazer facilmente com um régua ou trena. Para facilitar, vamos utilizar uma régua milimetrada de 30 cm (0,3 m).
Assim você pode calcular a velocidade do som no ar em qualquer local, seja na escola, em casa, na praia ao nível do mar, ou no topo de uma montanha. É só levar o notebook e os componentes do circuito, que cabe tudo na mochila.
Veja abaixo a montagem real do circuito.
Com o circuito montado, é hora de criar e configurar um display virtual para visualizar os dados das medições no Celular.
Veja abaixo como criar rapidamente um Display LCD virtual no aplicativo Blynk passo a passo.
1º Passo: Baixe o Aplicativo blynk pelo Google Play e após instalar clique em "create new acount" como mostrado abaixo.
3º Passo: Clique em "New Project" como mostrado abaixo para criar um novo projeto;
4º Passo: 1. Coloque o título; 2. Escolha a placa de desenvolvimento utilizada "ESP32 Dev Board"; 3. Clique em "Create" para criar.
5º Passo: O token de autenticação para conectar o celular à placa Espduino32 foi enviado para o e-mail cadastrado. Depois esse token será utilizado em um dos blocos do código do projeto, o que será mostrado mais adiante.
6º Passo: Na próxima tela clique no sinal de "+" para adicionar o Display LCD virtual, como indicado abaixo.
7º Passo: Então, na tela seguinte clique sobre o ícone "LCD" como mostrado abaixo;
8º Passo: O display é adicionado, então clique sobre ele para aplicar as configurações, como indicado abaixo;
9º Passo: Na tela de configurações faça o seguinte: 1. Escolha a pino Virtual "V1"; 2. Digite "Vsom" antes da expressão "/Pin1/" e digite a unidade logo depois "m/s"; 3. Escolha a cor do Display; 4. Escolha a cor do texto, e para finalizar é só clicar na seta de voltar.
10º Passo: Pronto. Agora, depois que código for carregado para a placa e estiver tudo montado, é só clicar no ícone de "Play" que o valor de velocidade do som será exibido antes a unidade (m/s).
A seguir é apresentado o exemplo de código utilizado. Você pode montá-lo facilmente no Mixduino32 clicando, arrastando e organizando os blocos para montar código. Se você precisa instalar o Mixduino32 clique aqui para ver o tutorial de instalação.
Se preferir, pode baixar o arquivo .mix do código do exemplo acima clicando aqui.
Depois é só abrir o arquivo no Mixduino32 utilizando a opção "Abrir". Depois basta alterar os campos entre aspas indicados pelas setas vermelhas e Carregar o código para a placa utilizando o cabo USB.
Veja a seguir a ilustração do projeto montado e o resultado da medida da velocidade do som no local do experimento (cidade de Presidente Médici/RO, Brasil) em empo real sendo mostrada na tela do celular.
Dicas:
1. Utilize as configurações do ponto de acesso WiFi do seu próprio celular.
2. Utilize uma régua milimetrada de 30 cm para definir uma distância fixa de 0,3 m.
3. Como fonte de energia para o circuito utilize a própria saída USB do computador ou notebook.
4. Se você quiser levar o experimento para campo, basta utilizar uma bateria de 9V com o conector. Tanto a bateria quanto o conector estão disponíveis no Kit Espduino32 Maker.
2º Conjunto de Blocos
Dentro do bloco de "setup" colocamos os blocos com a declaração das variáveis necessárias, definimos o tipo e atribuímos um valor inicial.
O tipo de variável "float" pode armazenar qualquer número real, como números decimais por exemplo.
O valor de 0.3 corresponde ao comprimento da régua utilizada (30 cm) em metros, utilizado para marcar a distância fixa entre o sensor ultrassônico e o objeto.
Também colocamos um bloco com a taxa de transmissão de dados em bits/segundo (115200 bits/s) e o bloco com a função que vai puxar as informações para a conexão wifi "Blynk.begin (auth, ssid e pass)".
3º Conjunto de Blocos
Os blocos deste conjunto estão dentro da função principal do Códido chamada "voidloop", que ficará repetindo continuamente a cada 500 milissegundos conforme mostrado acima.
Primeiro colocamos o bloco "blynk.run" para verificar/efetuar a conexão wifi e na sequência, colocamos os blocos necessários para as medições e cálculo da Velocidade do som (Vsom).
Observe que o valor de velocidade do som no ar local foi calculado com a fórmula mostrada no esquema de funcionamento acima.
Vsom = 2 x D / (tempo de ida e volta)
O bloco com a função "Blynk.virtual (V1,Vsom)" é responsável por enviar o valor calculado para a velocidade do som para o display LCD virtual do aplicativo Blynk no Smartphone.
Utilizando o mesmo circuito e o valor encontrado para a velocidade do som no local do experimento, altere o código do projeto para construir um régua ultrassônica para medir distâncias.
Autor: Prof. Farley Xavier
Veja abaixo como criar rapidamente um Display LCD virtual no aplicativo Blynk passo a passo.
1º Passo: Baixe o Aplicativo blynk pelo Google Play e após instalar clique em "create new acount" como mostrado abaixo.
2º Passo: Após criar a conta abra novamente o aplicativo e coloque o e-mail e senha cadastrados;
3º Passo: Clique em "New Project" como mostrado abaixo para criar um novo projeto;
4º Passo: 1. Coloque o título; 2. Escolha a placa de desenvolvimento utilizada "ESP32 Dev Board"; 3. Clique em "Create" para criar.
5º Passo: O token de autenticação para conectar o celular à placa Espduino32 foi enviado para o e-mail cadastrado. Depois esse token será utilizado em um dos blocos do código do projeto, o que será mostrado mais adiante.
6º Passo: Na próxima tela clique no sinal de "+" para adicionar o Display LCD virtual, como indicado abaixo.
7º Passo: Então, na tela seguinte clique sobre o ícone "LCD" como mostrado abaixo;
8º Passo: O display é adicionado, então clique sobre ele para aplicar as configurações, como indicado abaixo;
9º Passo: Na tela de configurações faça o seguinte: 1. Escolha a pino Virtual "V1"; 2. Digite "Vsom" antes da expressão "/Pin1/" e digite a unidade logo depois "m/s"; 3. Escolha a cor do Display; 4. Escolha a cor do texto, e para finalizar é só clicar na seta de voltar.
10º Passo: Pronto. Agora, depois que código for carregado para a placa e estiver tudo montado, é só clicar no ícone de "Play" que o valor de velocidade do som será exibido antes a unidade (m/s).
Criando do Código do Projeto
A seguir é apresentado o exemplo de código utilizado. Você pode montá-lo facilmente no Mixduino32 clicando, arrastando e organizando os blocos para montar código. Se você precisa instalar o Mixduino32 clique aqui para ver o tutorial de instalação.
Se preferir, pode baixar o arquivo .mix do código do exemplo acima clicando aqui.
Depois é só abrir o arquivo no Mixduino32 utilizando a opção "Abrir". Depois basta alterar os campos entre aspas indicados pelas setas vermelhas e Carregar o código para a placa utilizando o cabo USB.
Veja a seguir a ilustração do projeto montado e o resultado da medida da velocidade do som no local do experimento (cidade de Presidente Médici/RO, Brasil) em empo real sendo mostrada na tela do celular.
Dicas:
1. Utilize as configurações do ponto de acesso WiFi do seu próprio celular.
2. Utilize uma régua milimetrada de 30 cm para definir uma distância fixa de 0,3 m.
3. Como fonte de energia para o circuito utilize a própria saída USB do computador ou notebook.
4. Se você quiser levar o experimento para campo, basta utilizar uma bateria de 9V com o conector. Tanto a bateria quanto o conector estão disponíveis no Kit Espduino32 Maker.
Entendendo o código.
O código foi dividido em 3 conjuntos de blocos que foram criados e montados utilizando a interface de programação gráfica Mixduino32.
Veja a seguir um resumo da descrição das principais funções e definições de cada um dos conjuntos de blocos.
1º Conjunto de Blocos
No primeiro conjunto de blocos colocamos as definições, incluímos arquivos de biblioteca ".h" essenciais para o conexão do Espduino32 a rede Wifi, bem como os parâmetros da rede (Token de acesso, nome e senha da rede).
Esse conjunto de blocos é padrão para para a a maioria dos projetos em que é necessário utilizar a comunicação por Wifi.
2º Conjunto de Blocos
Dentro do bloco de "setup" colocamos os blocos com a declaração das variáveis necessárias, definimos o tipo e atribuímos um valor inicial.
O tipo de variável "float" pode armazenar qualquer número real, como números decimais por exemplo.
O valor de 0.3 corresponde ao comprimento da régua utilizada (30 cm) em metros, utilizado para marcar a distância fixa entre o sensor ultrassônico e o objeto.
Também colocamos um bloco com a taxa de transmissão de dados em bits/segundo (115200 bits/s) e o bloco com a função que vai puxar as informações para a conexão wifi "Blynk.begin (auth, ssid e pass)".
3º Conjunto de Blocos
Os blocos deste conjunto estão dentro da função principal do Códido chamada "voidloop", que ficará repetindo continuamente a cada 500 milissegundos conforme mostrado acima.
Primeiro colocamos o bloco "blynk.run" para verificar/efetuar a conexão wifi e na sequência, colocamos os blocos necessários para as medições e cálculo da Velocidade do som (Vsom).
Observe que o valor de velocidade do som no ar local foi calculado com a fórmula mostrada no esquema de funcionamento acima.
Vsom = 2 x D / (tempo de ida e volta)
O bloco com a função "Blynk.virtual (V1,Vsom)" é responsável por enviar o valor calculado para a velocidade do som para o display LCD virtual do aplicativo Blynk no Smartphone.
Importante Saber
Na prática, o sensor ultrassônico HC-SR04 funciona como uma régua e pode medir distancias de 2 cm a 4 metros com uma precisão de até 3 mm.
O sensor HC-SR04 é muito utilizado como régua ultrassônica para monitoramento nível de reservatórios ou canais, bem como para a detecção de obstáculos por robôs e drones, entre outras aplicações. Sua função básica é medir distâncias.
As possibilidades de aplicação de uma régua ultrassônica são imensas, dá para monitorar níveis de líquidos ou volumes de reservatórios, calcular vazão, criar sistemas de detecção de objetos, alarmes de proximidades e muitas outras coisas.
O sensor HC-SR04 é muito utilizado como régua ultrassônica para monitoramento nível de reservatórios ou canais, bem como para a detecção de obstáculos por robôs e drones, entre outras aplicações. Sua função básica é medir distâncias.
As possibilidades de aplicação de uma régua ultrassônica são imensas, dá para monitorar níveis de líquidos ou volumes de reservatórios, calcular vazão, criar sistemas de detecção de objetos, alarmes de proximidades e muitas outras coisas.
Desafio!
Utilizando o mesmo circuito e o valor encontrado para a velocidade do som no local do experimento, altere o código do projeto para construir um régua ultrassônica para medir distâncias.
Autor: Prof. Farley Xavier
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