Introdução

O espectrofotômetro é um instrumento capaz de medir, analisar e comparar a quantidade de luz (radiação) emitida, absorvida ou refletida por uma amostra, no nosso caso, através de um sensor óptico. Nesta construção, estamos trabalhando com espectro de emissão de fontes de luz. Este trabalho foi iniciado no primeiro semestre de 2017, ao buscarmos por ferramentas de detecção espectral, pesquisamos o que estava sendo construído e descobrimos que poderíamos customizar um equipamento óptico com a placa Arduino. Para a escolha do sensor óptico, foram analisados os comprimentos de onda que seriam trabalhados (luz visível), o valor de um equipamento espectral, o custo de cada sensor selecionados para o desenvolvimento do projeto e compatibilidade com o Arduino. Encontramos o Sensor Óptico Linear CCD ILX554b periférico da Sony, que trabalha em uma faixa de 400nm até 1000nm de comprimento de onda (nos possibilita, também, detecção de Infravermelho) e pode ser utilizado juntamente com o microcontrolador ATmega2560, do Arduino Mega, tornando-se um espectrofotômetro de baixo custo, visto que, hoje, no mercado um equipamento com essas especificações custa no mínimo R$ 5.000,00 e o que estamos construindo, incluindo todos os componentes gastamos R$ 300,00 (considerando apenas o necessário para um espectrofotômetro) – que poderia ser utilizado em diversos níveis de ensino em escolas públicas.

Todo o funcionamento de um componente eletrônico pode ser encontrado através da “folha de dados” do mesmo, no caso do sensor pudemos verificar o comportamento, componentes periféricos necessários, faixa de corrente, diferença de potencial, frequência e informações necessárias para o trabalho no “datasheet”  do ILX554b. Sensores semelhantes a este também foram utilizados em trabalhos com espectroscopia (ASSIRATI; TERRA; NUNES, 2012). O funcionamento do espectrofotômetro pressupõe uma integração optoeletrônica. Isso é realizado e visualizado com a combinação de uma fonte de luz, grade de difração, o sensor CCD linear, o Arduino e um computador. O objetivo deste trabalho é a instrumentalização de um equipamento óptico de baixo custo, para o ensino de física e poderá ser utilizado em outras áreas das ciências da natureza, como química e biologia.

Objetivos

Nesta contribuição, trazemos o relato da construção de um espectrofotômetro de baixo custo para o ensino de física. Este dispositivo é constituído por um sensor de luz (modelo da Sony ILX554b) e um microcontrolador, para o estudo de espectrometria, e pode ser utilizado em diversas áreas do ensino, como a física, química e biologia. O objetivo desta contribuição é demonstrar a construção do espectrofotômetro de baixo custo (eliminando a necessidade de adquirir equipamentos caros), mostrar resultados obtidos e trazer à discussão da comunidade de Ensino de Física para que problemas de desenvolvimento que estamos tendo possam ser debatidos.

Material e Métodos (construção)

A instrumentalização apresentada, necessita de uma fonte de luz (utilizamos LEDs), uma grade de difração, o sensor óptico, um microcontrolador e um computador para análise dos dados. Utilizamos o Arduino Mega na produção do espectrofotômetro, pois, comparado com o Uno (versão mais popular) o Mega possui memória de armazenamento maior. Testes com a placa Uno foram realizadas e não obtivemos sucesso. O sensor é um circuito integrado que conta com 2087 fotossensores, cada um deles capaz de converter energia luminosa em um sinal elétrico, sendo que 2048 estão expostos ao ambiente externo e os demais podem ser utilizados na correção de possíveis erros de leitura. Como este sensor possui apenas uma saída, se faz necessário a leitura em todos os fotossensores e para cada um obtêm-se um valor de saída (em Volts) que será enviado ao Arduino. O ILX554b, precisa apenas de uma alimentação de 5V (Volts), o que torna seu uso prático já que o Arduino fornece um valor de diferença de potencial de 5V ou a porta USB do computador. O Arduino converte o valor recebido em Volts para bits, ou seja, em um valor que o microcontrolador consegue identificar e podemos analisar o que está sendo coletado pelo sensor através da tela do computador. O valor de diferença de potencial, recebido pelo Arduino é proporcional aos valores de bits identificados, assim, podemos analisar o funcionamento do sensor de acordo com esses valores recebidos.

O microcontrolador, pode realizar leituras analógicas e digitais, esta conversão de Volts para bits, ocorre justamente quando trabalhamos com um componente que envia sinais analógicos e para a análise é necessária uma leitura digital. Na leitura digital cada pino da placa Arduino, possui somente dois estados: alto (1) e baixo (0). É considerado um estado alto entre os valores de tensão 3,3V até 5V e estado baixo entre 0V e 1V. Porém, muitas vezes, como é o caso dessa aplicação, precisamos fazer a leitura de um sensor que não trabalha apenas com dois estados, mas com a variação de tensão momentânea. Para isso, utilizamos uma leitura analógica, a qual faz com que o Arduino transforme o sinal analógico (diferença de potencial) de entrada em valores que, no nosso caso, variam de 0 até 1023. Isso é realizado por um circuito interno da placa chamado Conversor Analógico/Digital. Com essas informações, podemos entender os resultados esperados após a exposição do sensor a uma determinada fonte de luz, onde cada fotossensor do ILX554b passa por uma conversão A/D.

Figura 01 – Esquema elétrico do sensor óptico.

O sensor linear ILX554b necessita de apenas dois sinais de controle para o seu funcionamento (Figura 1), sendo um sinal de sincronismo, denominado ΦROG (Pino 11) e um sinal de clock denominado de ΦCLK (Pino 5). A cada pulso de clock, o pino de saída de sinal, denominado de VOUT (Pino 1), apresenta uma diferença de potencial proporcional à informação armazenada no referido fotossensor, para todos os fotossensores. Sabendo do funcionamento do ILX554b, elaboramos as linhas de programação no Ambiente de Desenvolvimento Integrado (IDE) , em linguagem C.

Figura 02 – Parte de comando da programação em C realizada.

A programação, assim como a montagem do circuito em torno do sensor, é realizada seguindo o seu funcionamento presente no datasheet do ILX554b. Nesta primeira etapa de programação (figura 02), configuramos os sinais de controle CLK e ROG, sem demostrar a parte de leitura que está logo abaixo. Ainda estamos realizando melhorias na programação.

Antes dessa construção, trabalhamos com softwares que faziam a leitura de imagens de espectros, os quais nos forneciam informações de comprimento de onda e intensidade de luz referentes aos espectros analisados. Com isso, pudemos identificar qual material se adequa melhor ao trabalho, que foi uma grade de difração.

A grade de difração escolhida foi uma com 1000 linhas por milímetro, que, em comparação com um prisma e um CD, em testes, se mostrou mais adequada para o experimento. Como fonte de luz, utilizamos LEDs brancos, vermelhos, azuis, verdes e amarelos. Apesar dos testes realizados com diferentes meios de decomposição da luz (figuras 03 e 04), a grade de difração, ainda não foi utilizada juntamente com o sensor, realizamos os testes com a câmera do celular.

Figura 03 – Espectro de um LED branco, decomposto por um CD.

Figura 04 – Espectros de três LEDs diferentes (branco, azul e vermelho), decomposto pela grade de difração.

Nas imagens acima, percebemos a diferença de intensidade do espectro ao ser utilizado um CD e a grade de difração. Na imagem 3, são colocados três LEDs (branco azul e vermelho) alinhados e o resultado é o espectro de cada cor alinhado com o espectro da luz branca (possui todas as cores em zonas espectrais definidas).

Então, nesta etapa da construção uma fonte de luz incide em uma fenda (pequena abertura onde passa apenas a luz que está em análise) localizada à frente do sensor, este converte a incidência de luz em diferença de potencial, envia sinais para o Arduino que está conectado ao computador, faz a leitura dos dados coletados e mostra no monitor. O que torna possível analisar o que está ocorrendo, coma criação de gráficos ou tabelas.

Resultados e Conclusões parciais.

Após a realização do programa de inicialização do sensor, ligamos um LED de luz branca incendida acima do mesmo e comparamos os valores de saída do ILX554b, visualizados através do computador, com o que estava no datasheet (verificando seu funcionamento) e percebemos que os resultados estavam de acordo com os números esperados, ou seja, no monitor apareciam diversos números que convertidos pelo sensor e microcontrolador, eram proporcionais aos valores de tensão identificados por cada fotossensor do detector óptico.

Buscando entender os valores de saída do sensor, geramos gráficos (em tempo real) da leitura do microcontrolador, porém, com base apenas nas luzes (LEDs brancos) emitidas sobre o sensor sem a utilização da grade de difração. Estas análises, nos evidenciam presença ou não de luz sobre o sensor e, futuramente, pretendemos gerar gráficos do número de pixels por diferença de potencial, ou seja, gráficos com apenas a leitura que o sensor realiza e gráficos da intensidade de luz, proveniente da fonte, por comprimento de onda, estamos estudando para estas melhorias.

Figura 04 – Gráfico momentâneo obtido pela presença de luz. Colocamos um Led na frente do sensor e ficamos ligando e desligando o mesmo.

Durante as análises, nos chamou a atenção as diferentes cores dos LEDs, cada “cor” analisada nos resultava em valores de saída diferentes e, consequentemente, esses valores deveriam ser proporcionais a diferença de potencial (sensor) e comprimento de onda (já que possuem zonas espectrais diferentes), porém, com as conversões podemos afirmar apenas que a tensão (ou diferença de potencial) das cores vermelho e azul estavam de acordo com a leitura efetuada pelo sensor, para as demais cores e/ou comprimento de onda, assim como os dados do sensor no escuro, a leitura ainda não está clara.

Como ainda não foram realizados testes no sensor com a grade de difração, estamos confeccionando um ambiente em que o espectro da luz emitida fique alinhado com os fotosensores e a leitura venha a ser feita, sendo que a fonte incide luz de determinada cor, proveniente de um LED, na abertura da caixa ou em um local escuro onde o sensor se encontra e é desviada em ângulos diferentes, respectivos aos seus comprimentos de onda através da grade de difração. Os átomos do material óptico ativo no LED emitem radiação que será analisada pelo espectrofotômetro. A grade, então, deve estar alinhada a zona de leitura do sensor.

Até o momento, sabemos e analisamos a emissão de radiação de fontes de luz, a qual é detectada pelo sensor óptico CCD linear, que gera pequenas cargas elétricas quando a luz incide sobre a sua superfície, fazendo a leitura dos dados recebidos e, durante o processo envia sinais para o Arduino. A placa processa os sinais recebidos e compara com todas as linhas e comandos da programação, executando o que for solicitado. O Arduino está em comunicação direta com o computador e envia sinais que foram coletados e analisados. A nossa perspectiva é que, no computador, será mostrado a quantidade de radiação que a fonte emite por comprimento de onda ou faixa de frequência, compondo o espectro da luz emitida.

Tivemos alguns percalços durante o desenvolvimento que atrasaram algumas etapas do projeto, como a programação que foi trabalhosa de realizar, visto que não conhecíamos o comportamento do sensor. Estamos atualmente em processo de melhoria da programação e outros problemas a serem resolvidos, pois o envio dos dados está ocorrendo muito rápido e sem pausa no final da matriz de fotossensores, o que pode estar impedindo a captação de dados mais relevantes. A variação dos valores quando o sensor está no escuro e a própria utilização da grade de difração, com a qual precisamos ajustar o ângulo de incidência da luz com o sensor, são detalhes que estão em processo de melhorias. Sendo assim, esperamos, como auxílio da comunidade de ensino, poder completar este projeto que será disponibilizado de forma ampla e gratuita para qualquer professor que possa por ventura se interessar pela construção e utilização de um espectrofotômetro de baixo custo.