Neste tutorial, vais aprender como ler o sinal de velocidade ou tacómetro de um ventilador de 3 ou 4 fios usando um Arduino.
Os ventiladores são um componente essencial em muitos dispositivos eletrónicos, fornecendo arrefecimento e ventilação para evitar sobreaquecimento. Monitorizar a velocidade de um ventilador pode ser crucial para manter um desempenho ótimo e prevenir falhas potenciais.
Peças Necessárias
Abaixo está a lista de peças necessárias. Adicionei os LEDs caso queiras piscar um LED de aviso se a velocidade do ventilador cair abaixo de um certo limite.
Arduino Uno
Conjunto de fios Dupont
Breadboard
Cabo USB para Arduino UNO
Kit de resistores & LED
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Tipos de Ventiladores
Existem muitos tipos diferentes de ventiladores. A seguir, vamos focar-nos nos ventiladores usados habitualmente para arrefecimento em computadores, impressoras 3D, pequenos evaporadores e similares. A maioria destes ventiladores são brushless DC ventiladores com 2, 3 ou 4 fios que funcionam a 12V.
Ventilador DC de 2 Fios
Os ventiladores DC de 2 fios são o tipo mais simples de ventiladores DC. Têm dois fios: um fio vermelho para alimentação (VCC) e um fio preto para terra (GND). Abaixo está uma imagem de um ventilador típico de 2 fios.
Estes ventiladores funcionam a uma velocidade fixa, mas a velocidade pode ser alterada via Pulse Width Modulation (PWM). Vê o nosso tutorial sobre How To Control Fan using Arduino . Ventiladores de 2 fios não fornecem um sinal de velocidade que possas ler diretamente. No entanto, podes usar um íman e um sensor Hall para criar o teu próprio: Build Arduino Tachometer Using A3144 Hall Effect Sensor
Ventilador DC de 3 Fios
Os ventiladores DC de 3 fios têm os dois fios habituais para alimentação e terra (vermelho e preto) e um fio adicional (tipicamente amarelo) chamado fio do tacómetro (TACH). Este fio fornece um sinal de pulso que indica a velocidade de rotação do ventilador. Ao ler este sinal, podes monitorizar a velocidade do ventilador ou RPM (Rotações Por Minuto).
O sinal do tacómetro é gerado por um sensor de efeito Hall ou um sensor ótico que deteta a passagem de marcas específicas ou ímanes no rotor ou motor do ventilador. A saída é um pulso, e a frequência dos pulsos (e o comprimento do pulso) corresponde à velocidade do ventilador.
A maioria dos ventiladores de arrefecimento para computadores são de 3 fios, mas também são usados em muitos outros dispositivos. Abaixo uma imagem de um pequeno ventilador DC de 3 fios, 12V, para uma impressora 3D:
Ventilador DC de 4 Fios
Os ventiladores de 4 fios são o tipo mais avançado e oferecem funcionalidades adicionais. Têm quatro fios: um para alimentação (normalmente vermelho), um para terra (normalmente preto), um para o sinal de velocidade do ventilador (normalmente amarelo) e um para controlo de velocidade (normalmente azul).
A velocidade do ventilador é regulada enviando um sinal PWM ( Pulse Width Modulation ) no fio de controlo de velocidade, que está ligado a um MOSFET que controla o motor. Vê o diagrama do circuito a seguir.
Abaixo uma imagem de um ventilador DC típico de 12V e 4 fios usado como ventilador de arrefecimento para computador:
Podes controlar a velocidade de um ventilador de 2 ou 3 fios da mesma forma construindo o circuito de controlo por ti próprio. Dá uma vista de olhos no nosso tutorial sobre How To Control Fan using Arduino para mais detalhes.
Em resumo, ventiladores de 2 e 3 fios normalmente funcionam a velocidade constante. Ventiladores de 3 fios fornecem um sinal de tacómetro para monitorizar a velocidade do ventilador. E ventiladores de 4 fios normalmente funcionam a velocidade variável, controlada via sinal PWM no quarto fio, mas também permitem monitorizar a velocidade via o terceiro fio.
Compreender o Sinal de Velocidade do Ventilador
Como mencionado acima, dentro de um ventilador de 3 ou 4 fios está tipicamente um Hall Effect Sensor que deteta a passagem de dois ímanes fixados na parte rotativa do ventilador para medir a velocidade. Dois ímanes são normalmente usados para evitar uma distribuição de massa desigual nas partes rotativas, o que causaria vibrações. Vê a imagem abaixo.
O sinal de velocidade pode ser medido usando um resistor pull-up e ligando um osciloscópio como mostrado no circuito acima. Aqui uma foto do meu osciloscópio a mostrar o sinal do tacómetro de um pequeno ventilador.
Como podes ver, o sinal do tacómetro ou velocidade é um pulso retangular com ciclo de trabalho de 50% e uma frequência que corresponde à velocidade de rotação do ventilador. Quanto mais rápido o ventilador gira, mais curto será o comprimento do pulso e vice-versa.
Se olhares com atenção, verás que a tensão de pico do pulso é cerca de 5V, enquanto o ventilador é de 12V. Isto porque estou a usar um circuito ligeiramente diferente, que vamos discutir em detalhe na próxima secção.
Ligação do Sinal de Velocidade ao Arduino
Nesta secção, mostro-te como ligar o sinal de velocidade (sinal do tacómetro) de um ventilador de 3 ou 4 fios a um Arduino para medir a velocidade do ventilador.
Não podes simplesmente ligar o fio amarelo de um ventilador de 3 ou 4 fios a uma entrada digital do Arduino para ler a velocidade do ventilador. Não vai funcionar! Precisas de um pull-up resistor . O diagrama de ligação abaixo mostra como isso é feito.
Liga um resistor de 1KΩ ou 10KΩ ao pino +5V e ao pino 2 do teu Arduino. No exemplo acima, estou a usar um resistor de 1KΩ, mas qualquer resistor entre 1KΩ e 10KΩ é adequado e comummente usado como resistor pull-up. Depois liga o fio amarelo do tacómetro do ventilador também ao pino 2 do Arduino. E também precisas de ligar o fio preto de terra (GND) do ventilador ao pino GND do Arduino. Finalmente, liga o ventilador à sua tensão requerida. No exemplo acima, são 12V.
Classificação do Ventilador
Mas verifica a etiqueta no teu ventilador para saber qual a tensão necessária no teu caso. A imagem abaixo mostra a etiqueta de um dos meus ventiladores, que é classificado para 12V com uma corrente de 0,18A = 180mA.
Tensões típicas são 5V, 6V, 12V e 24V e as correntes rondam os 200 ou 300mA para ventiladores de arrefecimento de computadores. Nota que não podes usar um pino GPIO do teu Arduino como fonte de alimentação para um ventilador. O ventilador puxa muita corrente e vai danificar o teu Arduino! Podes usar o pino 5V do teu Arduino Uno se o ventilador puxar menos de 500mA (e for um ventilador de 5-6V).
Circuito na breadboard
Podes experimentar este circuito com um ventilador de 12V e uma bateria de 9V, se não tiveres uma fonte de alimentação ou bateria de 12V. O ventilador vai girar, só que um pouco mais devagar. A imagem abaixo mostra a ligação completa numa breadboard. É o mesmo circuito de antes, só que com a adição da bateria e numa breadboard.
Na próxima secção, vamos escrever o código para medir a velocidade do ventilador usando este circuito.
Código para Ler o Sinal de Velocidade do Ventilador
Aqui vamos ler o sinal de velocidade do ventilador para medir o RPM (Rotações Por Minuto) do ventilador. Isto assume que tens um ventilador de 3 ou 4 fios que fornece um sinal de saída do tacómetro. Se tens um ventilador de 2 fios, não te preocupes. Podes criar um sinal de tacómetro por ti próprio. Vê o nosso tutorial Build Arduino Tachometer Using A3144 Hall Effect Sensor .
Como viste acima, o sinal de velocidade ou tacómetro é um pulso retangular. Se contarmos quantos pulsos recebemos num minuto, podemos calcular o número de vezes que o ventilador roda num minuto. Esta medição de velocidade chama-se RPM (Rotações Por Minuto).
A forma mais fácil de contar pulsos é procurar uma borda ascendente ou descendente no sinal. A imagem abaixo mostra um pulso retangular com uma borda descendente marcada.
Contar bordas descendentes é o mesmo que contar pulsos. O código seguinte faz isso ao ligar uma interrupção ao sinal do tacómetro que incrementa um contador sempre que uma borda descendente é detetada. Dá uma vista rápida ao código primeiro e depois discutimos os detalhes.
const int tachoPin = 2;
volatile unsigned long counter = 0;
void countPulses() {
counter ++;
}
void setup() {
Serial.begin(9600);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(tachoPin), countPulses, FALLING);
}
void loop() {
delay(1000);
long rpm = counter * 60 / 2;
Serial.print("RPM:");
Serial.println(rpm);
counter = 0;
}
Constantes e Variáveis
Começamos com as constantes e variáveis. Primeiro, definimos a constante tachoPin que especifica a que pino está ligado o sinal do tacómetro do ventilador. Também definimos uma variável counter para acompanhar o número de pulsos recebidos do sinal do tacómetro. Esta variável precisa de ser do tipo ” volatile “, pois é usada dentro de uma interrupt service routine (ISR).
const int tachoPin = 2; volatile unsigned long counter = 0;
Função de Contar Pulsos
Na função countPulses() , incrementamos a variável counter em um cada vez que um pulso é recebido do sinal do tacómetro. Esta função é chamada sempre que uma borda descendente é detetada no tachoPin usando a função attachInterrupt() .
void countPulses() {
counter ++;
}
Função Setup
Na função setup() , inicializamos a comunicação serial a uma taxa de 9600 baud usando Serial.begin() . Isto permite imprimir os valores de RPM no monitor serial e no plotter serial. Também ligamos uma interrupção ao tachoPin usando attachInterrupt() e especificamos que a interrupção deve ser acionada numa borda FALLING . Sempre que uma borda descendente é detetada no tachoPin , a função countPulses() será chamada. Podes usar a borda ASCENDENTE em vez disso, se quiseres.
void setup() {
Serial.begin(9600);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(tachoPin), countPulses, FALLING);
}
Função Loop
Na função loop() , esperamos primeiro 1000ms = 1 segundo usando delay() . Durante esse segundo de atraso, a rotina de serviço de interrupção countPulses() está a correr em segundo plano, a contar as bordas descendentes do sinal do tacómetro.
Depois calculamos o RPM multiplicando a variável counter por 60 (para converter de pulsos por segundo para pulsos por minuto) e dividindo por 2 (pois cada rotação do ventilador gera 2 pulsos). Imprimimos o valor calculado de RPM no monitor serial usando Serial.print() e Serial.println() . Finalmente, reiniciamos a variável counter para 0 para começar a contar os pulsos para o próximo período de tempo (1 segundo).
void loop() {
delay(1000);
long rpm = counter * 60 / 2;
Serial.print("RPM:");
Serial.println(rpm);
counter = 0;
}
Nota que alguns ventiladores reportam apenas um pulso por rotação. Neste caso, precisas de remover a divisão por 2, pois cada pulso significa uma rotação do ventilador.
Se as leituras de velocidade variarem muito, podes aumentar o tempo de atraso. Por exemplo, um atraso de 2 segundos dará leituras mais estáveis, mas precisas mudar o multiplicador de 60 para 30. De forma semelhante, se quiseres leituras de velocidade mais rápidas, podes reduzir o atraso para 500ms, mas tens de mudar o multiplicador de 60 para 120.
Exemplo de saída
Se executar este código com o meu ventilador e usar o dedo para abrandar temporariamente o ventilador pressionando o eixo central, vejo a seguinte saída no Serial Plotter:
E está feito! Agora sabes como medir a velocidade de um ventilador de 3 ou 4 fios usando o seu sinal de tacómetro e um Arduino.
Conclusões
Neste artigo, aprendemos como ler sinais de velocidade (tacómetro) de ventiladores com Arduino. Começámos por entender os diferentes tipos de ventiladores, incluindo os de 2, 3 e 4 fios.
Depois analisámos o próprio sinal de velocidade do ventilador. Os sinais de velocidade são tipicamente fornecidos como pulsos retangulares com uma frequência proporcional à velocidade do ventilador, medida em Rotações Por Minuto (RPM).
De seguida, discutimos como ligar o fio do sinal de velocidade do ventilador ao Arduino. Fornecemos um guia passo a passo para fazer as ligações necessárias.
Finalmente, abordámos o processo de escrever o código para ler o sinal de velocidade do ventilador. Explicámos como usar interrupções para capturar os pulsos do ventilador e calcular a velocidade com base no número de pulsos recebidos num segundo.
Se tiveres mais perguntas ou precisares de esclarecimentos sobre algum dos tópicos abordados neste artigo, consulta a secção de Perguntas Frequentes abaixo.
Perguntas Frequentes
Aqui estão algumas perguntas frequentes sobre a leitura de sinais de velocidade de ventiladores com Arduino:
P: De que tipos de ventiladores posso ler o sinal de velocidade?
R: Podes ler o sinal de velocidade de ventiladores de 3 e 4 fios. Estes são tipos comuns usados em vários dispositivos eletrónicos e sistemas de computador.
P: Como identifico o fio do sinal de velocidade num ventilador?
R: O fio do sinal de velocidade é geralmente rotulado como “TACH” ou “SIGNAL” no ventilador. Normalmente é amarelo, enquanto os fios de alimentação e terra são vermelho e preto. Se for um ventilador de 4 fios, normalmente há um fio azul adicional para controlo de velocidade.
P: Como aviso se a velocidade do ventilador estiver muito baixa?
Aqui está um exemplo de código que liga o LED incorporado se a velocidade do ventilador cair abaixo de 500 RPM:
const int tachoPin = 2;
volatile unsigned long counter = 0;
void countPulses() {
counter ++;
}
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(tachoPin), countPulses, FALLING);
}
void loop() {
delay(1000);
long rpm = counter * 60 / 2;
counter = 0;
int warn = rpm < 500 ? HIGH : LOW;
digitalWrite(LED_BUILTIN, warn);
}
P: Posso ligar vários ventiladores ao Arduino para ler os seus sinais de velocidade?
R: Sim, podes ligar vários ventiladores ao Arduino usando pinos de entrada digital separados para o fio do sinal de velocidade de cada ventilador. Certifica-te de ajustar o teu código para ler os sinais de velocidade de vários pinos.
P: Qual é o nível de tensão do sinal de velocidade do ventilador?
R: O nível de tensão do sinal de velocidade do ventilador é determinado pela tensão à qual o resistor pull-up está ligado. Para ler um sinal de tacómetro com um Arduino, queres usar um sinal de 5V. Para outros microprocessadores, como o ESP32, usarás um sinal de 3,2V.
P: Como calculo a velocidade do ventilador a partir do sinal de velocidade?
R: A velocidade do ventilador é geralmente fornecida como uma série de pulsos por rotação (PPR) ou rotações por minuto (RPM).
P: Posso controlar a velocidade do ventilador usando Arduino?
R: Ler o sinal de velocidade do ventilador com Arduino permite monitorizar a velocidade, mas não a controla diretamente. Se quiseres controlar a velocidade do ventilador, podes precisar de circuitos adicionais, como um driver de motor ou controlador PWM, dependendo do tipo de ventilador.
No entanto, se controlares a velocidade do ventilador com um sinal PWM, isso vai interferir com a medição da velocidade. Vais precisar de pausar o PWM durante a medição da velocidade ou usar um ventilador de 4 fios que tenha um fio separado para controlo de velocidade.
P: Existem precauções de segurança que devo considerar ao trabalhar com ventiladores e Arduino?
R: Sim, não alimentes o ventilador a partir dos pinos GPIO do teu Arduino! Usa uma fonte de alimentação ou bateria separada com tensão e corrente adequadas e certifica-te de ligar os fios de terra da fonte de alimentação e do Arduino. Também não uses os circuitos apresentados acima com um ventilador AC que funcione a 110V ou 220V!
Se tiveres dúvidas mais específicas, não hesites em perguntar na secção de comentários abaixo.
