pHduino - versão 0.2 com layout corrigido

Já está disponível a nova versão do pHduino com a correção do problema da compensação do offset amplificado do sensor e outras melhorias.



Changelog - Hardware versão 0.2

• Correção do problema da amplificação do sinal de offset antes de ser compensado.
• Aumento no valor de alguns resistores para a redução do consumo de corrente (prof. Dr. Claudimir L. do Lago).
• Troca dos capacitores de 1000uFx6,3V por capacitores de 100uFx25V.
• Remoção do diodo zener e do trimpot (resistor variável) de ajuste da tensão de referência por um resistor fixo.
  
• Leitura da tensão de referência em um canal do conversor analógico-digital.

Firmware

Também se encontra disponível um firmware para controle do pHmetro. O programa é simples mas é suficiente para a sua operação. Uma versão mais sofisticada está sendo planejada.

pHduino Blog
http://phduino.blogspot.com

pHduino Project
http://code.google.com/p/phduino

pHduino - circuito eletronico disponivel

Sei que alguns de vocês ficaram decepcionados por não terem encontrado os esquemas eletrônicos do pHduino. Logo antes de publicá-lo, resolvi modificar algumas coisas no circuito. Agora, acredito, está bem melhor.

Vocês podem conferir visitando diretamente o site do projeto. Feedback é muito bem vindo.

Projeto
http://code.google.com/p/phduino

Blog
http://phduino.blogspot.com/2009/08/circuit-released.html

pHduino - medidor de pH usando Arduino

É com muita satisfação que anuncio que foi aberto o projeto pHduino: open hardware e open software para medidas de pH usando a placa microcontrolada Arduino. Mas, primeiramente, deixe-me explicar como tudo começou.


Depois que voltei do meu posdoc, estava pensando em, antes de reativar minha bolsa anterior, fechar algumas coisas que ficaram em aberto e fazer um projeto open hardware. Assim, teria liberdade para testar essas idéias sem interferir no meu projeto principal. Investi algum tempo em alguns testes usando a placa microcontrolada Arduino (placa essa que venho usando já a algum tempo). Então, um amigo, Denis Vidal, prof. Universitário, sugeriu-me que fizesse um pHmetro devido a sua importância em laboratórios. Então, fiz o projeto em um final de semana e gastei mais uns três para ajustes finos. Um projeto que era apenas um passa-tempo de final de semana acabou ganhando importância. Montei um protótipo e testei. Assim, nasceu o pHduino.

Motivação

A idéia era fazer um instrumento para a área de Química que usasse os recursos disponíveis do Arduino sem componentes caros e de difícil acesso. Algo que pudesse estar acessível a qualquer um. Nada de um hardware sofisticado. Conheço componentes para fazer um pHmetro de alta resolução e também sei escrever drivers para controlá-los. No entanto, o foco não é esse. Há uma tendência de hardwares limitados de recursos e resolução mas que tem grande aceitação por serem de fácil controle e atenderem as principais necessidades. Para muitos dos problemas, não é necessário um hardware ou software que faz tudo. Quanto ao PCB (placa de circuito impresso), adotei placa cobreada de face simples. Isso facilita a confecção usando poucos recursos técnicos.

Características

Esse pHmetro pode ser alimentado usando uma fonte de alimentação conectada na rede elétrica e os resultados exibidos em um visor de cristal líquido. Mas também pode funcionar totalmente pela porta USB, possibilitando interfaceamento ou monitoramento de campo. O ajuste de offset e de inclinação pode ser feito manualmente, através de ajustes dos potenciometros, ou por auto calibração. Possui um sensor de temperatura para efetuar compensação. Todos os componentes são de fácil obtenção. Ele pode ser inferior e talvez até um pouco mais caro que um pHmetro portátil, mas ele é interfaceável, programável, expansível e, o mais importante, aberto e livre! Mais uma vez, ele não pretende e nunca pretendeu ser um instrumento analítico de alta resolução o tentar concorrer com equipamento comerciais. Foi feito com um exercício e um ponto de partida para o desenvolvimento de instrumentos de alta resolução, também livres. Qualquer um pode montar e modificar como quiser, desde que respeite as licenças que o protegem.

Estágio atual

Esse é o primeiro release do projeto. Farei melhorias no hardware e no software. No momento ele se encontra em fase de testes. Estarei colocando as informações, arquivos da placa de circuito impresso, esquemas eletrônicos e código aos poucos. É um projeto que crescerá aos poucos, portanto ele não está finalizado. Pretendo também escrever um programa (multiplataforma) para exibir os dados no computador. No momento, os dados são exibidos através de um terminal serial (hyperterminal é um exemplo).

Aplicações

Para um laboratório de Química, o sistema é tipicamente usado para a preparação e acerto de pH de tampões. Em Química Ambiental, podemos citar o monitoramento de água de rios, mares, represas, reservatórios, águas de chuva. Já para o usuário não técnico, o pHmetro pode ser usado, por exemplo, para monitorar a água de aquário. Muitas outras aplicações são possíveis. É importante conhecer as limitações dos sensores químicos, no caso o eletrodo de vidro, para se obter resultados corretos. O eletrodo de vidro para íons hidrogênio é um eletrodo chamado de íon-seletivo, pois responde de forma específica para um certo íon. Há outros eletrodos: potássio, fluoreto, cálcio, sódio, etc.

Agradecimentos

Esse projeto foi possível graças a ideia do amigo Denis, a liberdade que o meu supervisor me deu, prof. Dr. Emanuel Carrilho, BioMicS, Instituto de Química de São Carlos, Universidade de São Paulo e pelo suporte técnico e sugestões oferecidas pelo prof. Dr. Claudimir Lucio do Lago, LAIA, Instituto de Química da Universidade de São Paulo. Apesar de não estar recebendo bolsa da instituição que financia minha pesquisa no momento, por eu ainda a manter suspensa, agradeço também a Fapesp - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo por ter me acompanhado e ter dado suporte aos meus projetos desde a época da Iniciação Científica.

Segue abaixo os links dos endereços de alguns dos serviços que estou usando para esse projeto. Espero que o pHduino seja útil para vocês. Obrigado.

Links

Blog
http://phduino.blogspot.com

Projeto
http://code.google.com/p/phduino

Grupo de discussão
http://groups.google.com/group/phduino

Molecular Workbench - Simulador Químico

Com o advento da computação gráfica, demonstrar conceitos físicos e químicos para alunos ficou mais fácil. Isso aumenta a taxa de aprendizagem tornando o ensino algo atrativo. O Molecular Workbench é um programa livre, feito em Java, que permite executar animações para fins didáticos. O programa não se restringe somente à interações químicas, mas também físicas, bioquímicas e matemáticas.

Esse programa é um navegador (browser) para o banco de dados das animações e bibliotecas disponíveis no site do projeto que são baixados quando um modelo ou uma animação é solicitada. O navegador pode ser executado diretamente do site ou pode ser baixado e executado diretamente do seu computador. O processo de instalação pode ser feito usando o recurso Java Web Start ou sem esse recurso bastando baixar o arquivo jar. Detalhes da instalação são encontrado no link download do projeto.

Com é feito em Java, pode-se executá-lo nas principais plataformas: Windows, MacOSX e Linux. Há também uma versão off-line caso você não tenha uma conexão com a internet (veja fim da página principal do programa em execução). Para ter uma idéia da interface e dos modelos, visite o link screenshots.

O que torna esse programa interessante é o seu motor de interação física, que permite animações de partículas, fluídos e dispositivos mecânicos. Ele também possui um motor de renderizações 3D que torna atrativa a visualização das moléculas. O browser possui uma interface agradável e intuitiva baseada em navegação por links.

Uma coisa que impressiona é o número de exemplos disponíveis. A lista é extensa e recomendo a visita ao site, baixar e experimentar o programa. A interface principal do programa está separada em dois. Do lado esquerdo há uma lista de alguns modelos em destaque, mas eles se encontram em Library of Models. Do lado direito há três opções de acesso: Library of Models, Activity Center e Support. Em Library of Models, podemos encontrar uma lista de opções separadas por áreas:

Física

• Mecânica clássica

• Mecânica quântica

• Mecânica

• Ondas

• Fluidos

• Eletromagnetismo

• Lei dos Gases

• Transferência de calor

• Interações luz e matéria

Química

• Interações e movimento

• Moléculas orgânicas

• Molécula da água e solução

• Cinética de reação química

• Eletroquímica

• Química quântica

Biologia

• Modelos moleculares

• Proteína e código do DNA

Micelânea

• Visualização de moléculas usando o Jmol

• Técnicas de laboratório

• Matemática interativa

Nanotecnologia

• Nanofabricação e máquinas

• Ciência dos materiais

Tecnologia avançada

• Viajante molecular

• Jogos de dinâmica molecular

Cada opção dessas é um link e se ramifica em várias opções. Não seria possível falar de todas elas devido ao elevado número. Sempre é possível tirar uma foto (snapshot) de um determinado momento da animação.

No link Activity Center podemos encontrar pequenas aulas sobre alguns conceitos usando as animações dos modelos. Já no link Support, encontramos uma documentação dando detalhes do programa incluindo uma apresentação sobre o que é o Molecular Workbench. Tudo isso pode ser visto de dentro do programa.

Atenção!

Sobre a utilidade do programa, claramente ela é inegável. No entanto, o programa não é a solução exclusiva. Não se deve tirar do aluno a experiência prática. Colocar o aluno em um mundo exclusivamente virtual faz com que ele perca a noção da realidade. Os modelos virtuais são ideais e funcionam sem problemas sob várias limitações. Modelos reais estão cheios de detalhes e problemas que só a prática mostra. O aluno precisa ter contato com a dificuldade e a frustração. Ele precisa entender a teoria e aplicar na prática. É o que ele irá enfrentar quando ele desligar o computador. Portanto, cuidado com cursos totalmente virtuais. Talvez serial melhor chamá-los cursos teóricos. Não estou dizendo que todo curso virtual é ruim. Quero dizer que há cursos que precisam de atividades práticas e esses sim precisam de um espaço para atividades práticas, caso contrário seriam cursos teóricos. Um curso de química não deve ser um curso virtual. Imagine, ensinar um aluno a pipetar uma solução ou até mesmo titular uma solução. Um laboratório ou uma indústria não quer um pipetador e titulador teórico. Certa vez, assistindo uma aula do saudoso prof. Dr. José Atílio Vanin, divulgador da Química no Brasil, nos mostrou uma tabela com as taxas de aprendizagem para diferentes técnicas de ensino. A de maior resultado foi a de atividades práticas com resolução de problemas e a menor foi a de exposição oral em sala de aula usando quadro negro. Infelizmente, eu não tenho a fonte desses dados. Certamente, a combinação delas seria o ideal.

Molecular Workbench
http://mw.concord.org/modeler/

Balanceador de equações químicas

As vezes nos deparamos com um balanceamento não simples de uma equação química que envolve um processo de oxi-redução. Por sorte, há uma forma de se fazer isso usando uma calculadora on-line de balanceamento de reações químicas. Essa dica foi enviada por Denis T. R. Vidal, químico e atual pós-graduando do Instituto de Química da Universidade de São Paulo.

A Chemical Equation Balancer é um programa que analisa lexicalmente a equação química a ser balanceada. Entrando com a equação no formato correto, ela gera a equação já balanceada e a adiciona na lista das equações já processadas do próprio site.

Calculadoras tem o seu valor, simplificam a vida e economizando tempo. Não vou colocar que economiza neurônios porque o cérebro que não pensa atrofia mais rápido. A calculadora, sim, tem o seu valor. O problema é se tornar um escravo da máquina e não entender o que está sendo feito.

Esse post me faz lembrar de um conto chamado "A Sensação de Poder" (The Feeling of Power) de um dos grandes escritores de ficção científica: Issac Asimov. O conto pode ser lido diretamente desse link (em inglês). Ele foi publicado no livro de contos de diferentes autores chamado "Robot Dreams", em 1986, e aqui no Brasil como "Sonhos de Robô", pela editora Record, em 1991. O conto em português Brasileiro encontra-se nesse link.

"Nove vezes sete, pensou Shuman com orgulho, sessenta e três. Não precisava mais que um computador lhe dissesse isso. Sua própria cabeça era um computador. E isso lhe dava uma fantástica sensação de poder."

O conto fala de um técnico de nível inferior que tinha uma habilidade estranha: ele sabia fazer contas sem o auxílio de um computador, usando apenas um pedaço de papel e um lápis. Isso era difícil de acreditar porque os computadores faziam todos os cálculos. Esse é ainda um texto atual.

Chemical Equation Balancer
http://www.gregthatcher.org/Chemistry/BalanceChemicalEquations.aspx

The Feeling of Power
http://en.wikipedia.org/wiki/The_Feeling_of_Power

A Sensação de Poder
http://sobral.tripod.com/poder/poder.html