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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO

“Desenvolvimento de uma bomba seringa com sistema de controle

automatizado”

LUCAS ARAÚJO DE MEDEIROS

NATAL - RN

2018

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LUCAS ARAÚJO DE MEDEIROS

DESENVOLVIMENTO DE UMA BOMBA SERINGA COM

SISTEMA DE CONTROLE AUTOMATIZADO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como

parte dos requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Químico.

Orientador: Prof. Dr. Jackson Araújo de Oliveira

Natal, junho

2018

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LUCAS ARAÚJO DE MEDEIROS

DESENVOLVIMENTO DE UMA BOMBA SERINGA COM

SISTEMA DE CONTROLE AUTOMATIZADO

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como

parte dos requisitos para a obtenção do título de

Engenheiro Químico.

BANCA EXAMINADORA

______________________________________________________ Prof. Dr. Jackson Araújo de Oliveira – Orientador

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

______________________________________________________ Prof. Dr. Domingos Fabiano de Santana Souza

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

______________________________________________________ Eng. Julia Maria de Medeiros Dantas

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRN

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RESUMO

Este trabalho traz uma alternativa de baixo custo para um equipamento dosador de líquidos,

automatizado, que trabalhe com pequenas vazões de forma precisa, para aplicações

principalmente em estudos de caso em laboratório. No documento é detalhado a construção da

bomba seringa, bem como a função que cada parte do equipamento desempenha, e como é

controlada através de um aplicativo criado com o software Visual Fortran da plataforma

Micrososft Visual Studio. A automação foi realizada através da placa de aquisição de dados

Arduino Uno, que utiliza um ambiente de programação próprio, similar a linguagem C/C++,

armazenando o código na placa com função de aquisição, controle e comunicação (via

USB/porta serial COM) com o aplicativo desenvolvido em Visual Fortran. A comunicação do

sistema Arduino com o sistema mecânico ocorre com a ajuda de um driver mandando sinais

para o atuador, que neste caso é um motor de passo usado para movimentar um eixo

horizontal no deslocamento positivo da seringa dosadora. Após a montagem da estrutura da

bomba seringa, a programação na plataforma arduino e o software de comunicação foram

testados, tendo a mesma sido calibrada e validada para diferentes vazões. Adicionalmente,

foram feitos testes para avaliar a máxima capacidade de pressurização da bomba. Os

resultados demonstraram que o desempenho da bomba atende os requisitos da proposta

inicial, levando à conclusão satisfatória do projeto de desenvolver um dispositivo de

bombeamento de baixo custo.

Palavras-chave: bomba seringa, Arduino, driver, motor de passo.

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ABSTRACT

This work brings a low-cost alternative to an automated liquid dispenser equipment that

works with small flow rates in a precise way, mainly for applications in laboratory case

studies. In the document it is detailed the construction of the syringe pump, as well as the

function that each part of the equipment performs, that is controlled through an application

created with the Visual Fortran software from the Microsoft Visual Studio platform. The

automation was executed through the data acquisition board Arduino Uno, which utilizes its

own programming environment, similar to the C/C++ language, storing the code in the board

with an acquisition function, control and communication (via USB/COM serial port) with the

app developed on Visual Fortran. The Arduino system communication with the mechanical

system occurs with the help of a driver sending signals to the actuator that, in this case, is a

stepper motor used to move a horizontal shaft trough the positive displacement of the dosing

syringe. After building the syringe pump structure, the Arduino platform programming and

the communication software were tested, being calibrated and validated to different flow

rates. Additionally, tests were done to evaluate the pump maximum pressurization capacity.

The results demonstrated that the pump performance meets the requirements of the initial

proposal, leading to a satisfactory project completion to develop a low-cost pumping device.

Keywords: syringe pump, Arduino, driver, stepper motor.

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SUMÁRIO

1. OBJETIVO ................................................................................................................... 7

2. INTRODUÇÃO ............................................................................................................ 7

2.1. Aplicabilidade ........................................................................................................ 8

3. MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................................................ 9

3.1. Estrutura ................................................................................................................ 9

3.2. Eixos ........................................................................................................................ 9

3.3. Suporte .................................................................................................................. 11

3.4. Seringas ................................................................................................................ 12

3.5. Arduino ................................................................................................................. 12

3.6. Motor de passo ..................................................................................................... 14

3.7. Driver .................................................................................................................... 16

3.8. Fluxograma de funcionamento da bomba seringa ........................................... 19

3.9. Estrutura da bomba ............................................................................................ 20

3.10. Aplicativo de automação da bomba .............................................................. 21

3.11. Programação do arduino ................................................................................ 24

4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................. 25

4.1. Calibração ............................................................................................................ 25

4.2. Precisão ................................................................................................................. 29

4.3. Teste de Pressão ................................................................................................... 30

4.4. Comparativo econômico ..................................................................................... 31

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................... 32

5.1. Trabalhos futuros ................................................................................................ 32

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................... 33

ANEXO A .................................................................................................................... 34

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1. OBJETIVO

O objetivo deste projeto é a montagem de uma bomba de injeção do tipo seringa de

baixo custo controlada através de um programa computacional desenvolvido para

comunicação com um sistema de automação baseado em placa arduino.

2. INTRODUÇÃO

Uma bomba seringa é um tipo de bomba dosadora bastante útil em qualquer situação

onde seja necessitada a injeção controlada, com elevada precisão, de pequenas quantidades de

uma substância na fase líquida em um meio.

Segundo Wilson et al. (2016), o equipamento funciona da seguinte maneira: é

colocado o fluído em questão dentro de uma ou mais seringas, acopladas no equipamento,

neste são inseridos dados de vazão, quantidade de volume que deseja-se injetar, ou tempo

total de injeção e a área da secção transversal da seringa escolhida. Então, os processadores e

controladores presentes irão computar os dados inseridos e mandarão sinais para seu atuador,

que irá movimentar um suporte (pistão) localizado à extremidade do êmbolo da seringa,

pressionando-o e originando a vazão desejada.

“Por infundirem soluções com precisão elevada e baixo fluxo, são particularmente

apropriadas para aplicações pediátricas e terapia intensiva, onde volumes pequenos de

medicamentos com concentração elevada devem ser indundidos por um longo período de

tempo” (BUTTON, 2002). Contudo, por possuir essas características, o uso desse tipo de

bomba abrange várias outras áreas, tais como: uso em laboratório (químico, farmacêutico,

alimentício, veterinário, etc.) e, principalmente, uso em processos baseados em

microdispositivos.

A ideia do projeto de construir uma bomba seringa de baixo custo é oferecer uma

alternativa às bombas comerciais, que são vendidas com preços que variam de R$ 2.000,00

até mais de R$ 10.000,00.

O trabalho foi inteiramente desenvolvido dentro do Laboratório de Fenômenos de

Transporte e Energias Alternativas (LEAFT) da Universidade Federal do Rio Grande do

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Norte e foram utilizados materiais de baixo custo, sendo muitos destes oriundos do

aproveitamento de equipamentos fora de uso.

Os seguintes materiais foram usados: tábuas MDF que foram enquadradas em

marcenaria; placas e pequenos suportes de alumínio encontrados no próprio laboratório; um

motor de passo e engrenagens de material polimérico obtidos de uma impressora inutilizada;

parafusos, porcas e uma fonte de 24V, adquiridos de lojas comerciais em Natal; driver, placa

de prototipação Arduino UNO e um conjunto contendo dois eixos de rolamento com quatro

suportes, um fuso trapeizoidal com dois mancais, um acoplamento e três pillow blocks, estes

adquiridos pela internet (Mercado Livre).

2.1. Aplicabilidade

Uma das aplicações mais conhecidas desse tipo de bomba é na área biomédica.

“Bombas de seringa são usadas para administrar fluidos intravenosos, tais como soluções de

hiperalimentação, antibióticos, anestésicos regionais, medicações antiarrítmicas e agentes

quimioterapêuticos” (ALVES, 2002, p.40), garantindo a injeção do volume e dose adequados

no tempo correto em terapias em seres humanos e animais, minimizando assim os erros e

eventos adversos.

Em laboratórios, diversos estudos de caso são facilitados pelo uso da bomba injetora,

como por exemplo, é possível a criação de sistemas de dosagem de catalisador em meio

reacional de forma gradativa, possibilitando o controle no tempo de reação, bem como a

análise do efeito da concentração do catalisador. Pode-se também, realizar uma injeção de

ácido ou álcali no meio para estudos de uma determinada reação, bem como o efeito do pH na

taxa de conversão.

Em casos onde a reações é exotérmica, consegue-se ter um controle na temperatura

da solução com a vazão baixa de um reagente em um meio contendo o outro. O bombeamento

lento e controlado de uma mistura de substâncias em colunas de separação para aumento da

eficiência do processo, permitindo o estudo da influência da vazão de entrada no processo.

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Uma possibilidade interessante, e a principal finalidade da construção do aparelho, é

o estudo de reações químicas em sistemas microrreacionais, utilizando microrreatores, que

são pequenas placas com canais micrométricos, permitindo a entrada de reagentes e saída de

produtos. Estes sistemas são capazes de intensificar os fenômenos de transferência de massa e

energia, obtendo-se reações com elevada eficiência e segurança.

3. MATERIAIS E MÉTODOS

3.1. Estrutura

A estrutura do equipamento, é a base para os componentes funcionais e é responsável

por trazer estabilidade durante a utilização do mesmo. Para a bomba em questão, foi utilizado

majoritariamente de madeira (MDF), enquadrada em marcenaria para se ter uma maior

precisão de montagem e liberdade para ajuste de tamanho. Em algumas partes foi utilizado

alumínio como material, ambos os materiais foram obtidos do próprio laboratório, no entanto,

são de baixo custo para a compra.

A parte funcional da estrutura pode ser dividida em três partes: eixos, suporte e

seringas, que serão detalhadas a seguir.

3.2. Eixos

O equipamento é constituido de três eixos, todos comprados na internet.

O primeiro consiste de um fuso trapezoidal com passo de 8mm (Figura 1), onde a

cada volta completa do fuso, o deslocamento linear equivale à 8mm. O fuso veio

acompanhado de dois mancais (rolamentados) para fixá-lo na base da estrutura da bomba, um

acoplamento flexível para encaixar o motor e um pillow block com um castanha no interior

para o seu deslizamento linear no fuso. O acoplamento flexível permite a absorção de

movimentos indesejados.

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Figura 1. Fuso trapezoidal com acoplamento, mancais e pillow block. Fonte: Mercado Livre, 2018.

Por se tratar de uma espécie de mola, caso o sistema motriz (motor e engrenagens)

tenha uma tendência a empurrar o acoplamento em uma direção perpendicular ao eixo, o

movimento é dissipado pela natureza elástica do acessório.

Os outros dois são eixos lineares (Figura 2), e servem como suportes no

deslocamento da base, através de pillow blocks com rolamento linear para cada eixo. Os eixos

lineares foram fixados em dois suportes nas paredes do equipamento.

Figura 2. Eixo de rolamento com suportes. Fonte: CNBTR Store, 2018.

No projeto, os três eixos foram posicionados na mesma altura, sendo o eixo

trapezoidal disposto como central, para aumentar a estabilidade do suporte.

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3.3. Suporte

O suporte é a parte do equipamento responsável por empurrar as extremidades da

seringa, gerando a vazão desejada.

Para a construção, foram comprados pela internet, pequenos acessórios que são

inseridos nos dois eixos lineares, chamados de pillow blocks (Figura 3) e servem para a

montagem da base. Tais pillow-blocks possuem rolamentos com esferas internas por onde

estes deslizam nos eixos lineares.

Figura 3. Pillow blocks usados nos eixos de rolamento. Fonte: Mercado Livre, 2018.

Como em cada eixo há um pillow block independente, foi parafusada uma base de

MDF à eles, formando uma espécie de mesa móvel que se movimentará horizontalmente

conforme o fuso rotacione (Figura 4).

Figura 4. Suporte completo. Fonte: Próprio autor, 2018.

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O motor de passo, ao rotacionar o fuso, tende à rotacionar também o suporte,

gerando um movimento indesejável ao projeto, o motivo ao colocar outros dois eixos lisos,

em paralelo, é anular esse movimento de rotação, fazendo com que o suporte se desloque

apenas na direção axial dos eixos. A precisão no posicionamento dos eixos afeta diretamente

o desempenho, visto que se eles não estiverem em paralelo ocorrerão forças de atrito e tensão

no deslizar do suporte, exigindo assim um torque maior do motor e podendo levá-lo a um

aquecimento indesejado.

Como o objetivo da bomba é de exclusivamente injetar substâncias, para pressionar

os êmbolos das seringas foi fixada uma barra de MDF na mesa móvel de deslizamento com a

finalidade de empurrar até duas seringas fixadas na mesa estacionária.

3.4. Seringas

A bomba pode operar com até duas seringas, sendo pressionadas simultaneamente. As

seringas são fixadas numa mesa estacionária através de suportes metálicos. Neste trabalho, foi

utilizada apenas uma seringa de 60 mL de volume como ilustra a imagem da Figura 5.

Figura 5. Seringa de 60 mL.

3.5. Arduino

Arduino é uma plataforma eletrônica do tipo open-source utilizada para prototipação

baseada em hardware e software de fácil uso. Placas Arduino consistem de

microcontroladores capazes de ler sinais de entrada (inputs) como sensores, botões, dados

etc., e transformar em sinais de saída (outputs) como ativar uma lâmpada LED, enviar uma

mensagem, processar dados, ou ativar um atuador, que no caso do projeto é um driver

conectado a um motor de passo.

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Dentre as diversas placas Arduino a escolhida para se trabalhar foi a Arduino Uno

(Figura 6), onde se encontra um microcontrolador do tipo Atmega328 (Figura 7), baseado em

um microchip de 8-bit de alta performance com 32KB de memória flash, 1KB EEPROM,

2KB SRAM, 23 linhas de input/output para uso geral, 32 registradores para uso geral, 3

contadores de tempo flexíveis com modos de comparação, programação serial do tipo

USART e porta serial SPI, 6 conversores A/D de 10-bit, entre outras características descritas

pelo fabricante.

Figura 6. Placa de prototipação Arduino UNO. Fonte: Próprio autor, 2018.

Figura 7. Microcontrolador Atmega328. Fonte: Microchip, 2018.

A manipulação do microcontrolador, se faz através da placa Arduino, que contém 14

pinos (pins) de entrada/saída de informação digital, onde até 6 podem ser utilizados para

saídas do tipo PWM (para o projeto foi necessário utilizar 4 pins), 6 pinos de entrada

informação analógica, um cristal de quartzo de 16MHz, uma conexão USB, um leitor ICSP e

um botão de resetar.

A comunicação da placa arduino com o projeto, seja ele qual for, acontece por

intermédio de programação no software “Arduino IDE” que pode ser baixado gratuitamente,

ou utilizado online, na página oficial do Arduino e aceita as linguagens de programação

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C/C++ com várias bibliotecas disponíveis para facilitar o código, sendo possível ainda baixar

da internet algumas específicas para projetos.

A programação no arduino gera arquivos no formato “.ino” e se divide em

basicamente duas etapas, o setup() e o loop(). A primeira parte se designa à configuração das

portas digitais, de entrada ou saída, e a abertura da comunicação serial, porta responsável por

receber e emitir dados. Na etapa de loop() ocorre a rotina de programação, todo o código

digitado nela será repetido infinitamente ou até que seja requisitado uma pausa.

3.6. Motor de passo

O motor de passo (stepper motor) é um equipamento que utiliza pulsos elétricos para

energizar e desenergizar suas bobinas, ou enrolamentos (eletroímãs), em uma determinada

ordem, gerando campos magnéticos de forma a movimentar angularmente o seu eixo central,

um ímã permanente, em uma desejada direção.

“Entre cada passo, o motor para na posição com sua carga sem a ajuda de

embreagens ou freios. Assim, um motor de passo pode ser controlado de uma forma que faz

ele girar certo número de passos (steps), produzindo um movimento mecânico poruma

distância específica, e então ele segura a sua carga quando para” (VIVALDINI, 2009).

Cada excitação gerada por um pulso elétrico faz com que o motor rotacione num

valor incremental fixo chamado de ângulo de passo (steps), característico de seu modelo. O

resultado deste processo é um movimento controlado, possibilitando estabelecer a rotação

total desejada do motor, em número de ângulos de passo dado, bem como sua velocidade de

rotação (steps/s) e direção (horária ou anti-horária).

O modelo escolhido para o projeto foi o M49SP-2K (Figura 8), um motor de passo

do tipo bipolar. Nesse caso, o motor é constituído de duas bobinas que ao serem energizadas

originam duas fases, como ilustra a Figura 9.

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Figura 8. Motor de passo modelo M49SP-2K. Fonte: MITSUMI, 2018.

Figura 9. Esquema de energização de um motor bipolar com duas bobinas. Fonte: Queiroz, 2003.

Uma característica dos motores bipolares é a necessidade da inversão da direção da

corrente elétrica nos enrolamentos a cada dois passos, invertendo assim a polaridade do

campo magnético, para que o movimento do eixo central ocorra de maneira contínua. Esta

forma de excitação faz com que este tipo de motor apresente uma excelente relação

tamanho/torque e isto se deve ao fato de, ao energizar uma fase, automaticamente os dois

pólos onde a bobina está instalada são magnetizados, exercendo uma força maior no eixo

central do que quando comparado com os motores unipolares, onde apenas um pólo é

magnetizado por fase.

Ainda, o motor pode trabalhar operando em passo completo, energizando uma

bobina por vez, ou em “meio-passo”, ao energizar as duas bobinas entre as etapas onde apenas

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uma delas esteja carregada. No modelo M49SP-2K, cada passo completo equivale a uma

rotação de 7,5 graus, ou seja, um único ciclo de 360 graus é divido em 48 partes iguais.

Abaixo encontra-se um quadro com algumas das especificações do motor:

Quadro 1. Especificações do motor de passo M49SP-2K.

Item M49SP-2K

Voltagem nominal 24V

Voltagem de trabalho 21,6~26,4V

Corrente de fase 1A (pico)

Resistência da bobina 5,8Ω/fase ±10%

Ângulo de passo 7,5°/step

Método de operação Corrente constante

Método de excitação 2-2 excitação de fase (Bipolar)

Torque "holding" 143mN.m

Torque "pull-out" 106mN.m/1,000pps

Torque "pull-in" 124mN.m/200pps Fonte: http://www.mitsumi.co.jp/latest/Catalog/pdf/motor_m49sp_2k_e.pdf.

O método que este motor usa para realizar o step é o bipolar chopping/PWM driving,

onde é aplicada plena tensão até que a corrente atinja o valor necessário para que o passo seja

dado. Porém, para que isso ocorra é necessária uma voltagem de 24 volts, o que a placa

arduino por si não consegue fornecer, já que trabalha com 5V.

Para alimentar pulsos em correntes elétricas específicas para as bobinas e para que o

motor trabalhe precisamente, energizando-as, desenergizando-as e invertendo suas

polaridades, o uso de um driver ligado a uma fonte externa são necessários.

O datasheet do motor em questão está presente no ANEXO A para maiores

informações sobre suas especificações.

3.7. Driver

O driver é um dispositivo responsável por transformar os sinais de 5V vindos do

controlador arduino em sinais de potência, que irão fazer com que a corrente circulando nas

bobinas do motor de passo seja controlada com precisão.

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O driver separa a energia que movimenta o motor da energia que vem do controlador

arduino quando esta não é suficiente para acionar o equipamento. Em outras palavras,

enquanto o controlador cria no motor um ângulo de passo e uma direção de rotação, o circuito

driver gera a corrente necessária e a ordem de energização dos enrolamentos para que o

movimento ocorra.

Uma grande vantagem de se utilizar um driver é a sincronia das fases obtidas no

processo de rotação, pois quanto maior a velocidade que se queira trabalhar usando o motor,

mais perfeito deve ser o controle da corrente, para que o motor não seja sobrecarregado e

esquente, ou “pule” passos entre um e outro.

Motores de passo, naturalmente possuem uma frequência de ressonância, onde, ao

atingir determinada frequência de rotação (RPM) ocorre o aumento de ruído e vibração,

podendo gerar oscilações ou até perdas nos passos. Esse valor de frequência depende do

sistema como um todo, motor, carga e driver, este último pode ser utilizado para que essa

frequência não esteja inclusa na faixa de velocidade em que o motor irá trabalhar. Para isso,

pode-se utilizar o microprocessador para criar steps fracionais, fazendo com que o movimento

se torne mais suave.

O modelo de driver escolhido para o projeto foi o TB6600 v2.1 (Figura 10), uma

versão baseada no chip do modelo TB6600HG com tipo PWM chopper para microprocessar

dados eletrônicos para motores de passo do tipo bipolar. Os interruptores, de 1 à 3, presentes

na pequena caixa vermelha, mostrada na Figura 10, são utilizados para definir o controle de

rotação do motor, posicionando para cima (high, H) ou para baixo (low, L), obtendo modos de

fase de excitação: 1-2, W 1-2, 2W 1-2 ou 4W 1-2; que irá originar os ângulos de passo

fracionais, como ilustra o Quadro 2 abaixo:

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Figura 10. Driver TB6600 v2.1 do motor de passo. Fonte: Próprio autor, 2018.

Quadro 2. Modos de excitaçãode acordo com o posicionamento dos interruptores.

Input Modo/tipo de excitação

(divisão do ângulo de passo) M1 M2 M3

L L L Modo standby

L L H 1/1 - Passo completo

L H L

1/2 Tipo A - Meio passo (fase de

excitação 1-2: 0%, 71%, 100%)

L H H

1/2 Tipo B - Meio passo (fase de

excitação 1-2: 0%, 100%)

H L L

1/4 - Um quarto de passo (fase de

excitação W 1-2)

H L H

1/8 - Um oitavo de passo (fase de

excitação 2W 1-2)

H H L

1/16 - Um dezesseis avos de passo

(fase de excitação 4W 1-2)

H H H Modo standby Fonte: TOSHIBA, Driver TB6600HG datasheet.

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3.8. Fluxograma de funcionamento da bomba seringa

Para facilitar o entendimento do funcionamento da bomba injetora, foi desenvolvido

o fluxograma do processo, conforme apresentado na Figura 11.

Figura 11. Fluxograma de funcionamento da bomba seringa. Fonte: Próprio autor, 2018.

As variáveis de entrada são a vazão injetada, a área da seção transversal da seringa e

a quantidade de volume que se deseja injetar. Todos os dados são inseridos no aplicativo

desenvolvido a linguagem de programação Visual Fortran da Microsoft Visual Studio e tem o

intuito de realizar a interface com usuário bem como estabelecer a comunicação serial com o

programa arduino. Os dados, ao serem inseridos, são tratados e em seguida exportados para a

porta serial do arduino e assim, lidos.

No aplicativo, a vazão (em mL/s) será transformada em velocidade de rotação do

motor (em steps/s), enquanto a quantidade de volume a ser injetado (em mL) é relacionado

com a posição final do motor, em número de passos total a ser realizado pelo motor. O

modelo da seringa afeta diretamente estas duas outras variáveis, visto que a área transversal

da seringa é diretamente relacionada com seu volume, sendo usada para medir tanto o

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deslocamento necessário do êmbolo para injetar determinado volume, como também a rapidez

com que esse espaço deve ser percorrido.

Intepretados os dados e inserido o comando, o arduino comandará o driver através de

sinais digitais e este entregará sinais de potência, com ajuda de uma fonte externa, para as

bobinas do motor de passo, fazendo seu eixo central girar (ou parar), rotacionando também o

fuso central, que se encontra ligado ao motor por meio de engrenagens. Por fim, ao rotacionar

o fuso, o suporte móvel sobre os eixos se locomoverá e pressionará o êmbolo da seringa,

criando a vazão desejada.

3.9. Estrutura da bomba

A estrutura da bomba (Figuras 12 e 13) foi dividida em três regiões: (i) a parte

mecânica do equipamento, composta por eixos, mancais, suporte e engrenagens, sendo

responsável pelo deslocamento da base móvel; (ii) a segunda parte, onde se encontra a base

estática, destinada a fixação das seringas; (iii) a terceira parte, destinada à parte eletrônica do

sistema composta pelo motor de passo, a placa arduino e o driver do motor, sendo estes

isolados por uma caixa polimérica para prevenir contato externo.

Figura 12. Estrutura da bomba seringa vista de cima com a parte eletrônica visível. Fonte:

Próprio autor, 2018.

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Figura 13. Bomba seringa completa. Fonte: Próprio autor, 2018.

As dimensões da bomba seringa projetada são:

- Comprimento: 55,0 cm.

- Altura: 16,5 cm.

- Largura: 22,0 cm.

3.10. Aplicativo de automação da bomba

Um aplicativo de interface foi montado para a bomba seringa. A linguagem de

programação utilizada foi a Visual Fortran e a interface basicamente transforma os dados

inseridos pelo usuário na tela do aplicativo, em dados específicos para motor de passo,

exportando-os via comunicação serial para o programa carregado no arduino. Na Figura 14 é

possível visualizar a tela de operação do aplicativo.

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Figura 14. Aplicativo de operação da bomba desenvolvido no Microsoft Visual Studio. Fonte: Próprio

autor, 2018.

Os dados de entrada do programa são vazão (Q), em mL/s, área da seção transversal

(A) da seringa em cm2 e volume a ser injetado (V) em mL. Após preenchido os dados, o

operador deve clicar no botão “configurar” para o cálculo das variáveis do motor de passo.

O modelo da seringa é ajustado pelo valor da área transversal (A), em cm2 pela

medição do diametro (dinterno) interno da seringa, que é usado para calcular a velocidade linear

(vL), em cm/s, que o êmbolo deve atingir, bem como a posição final (∆Lt), em cm:

A =π x dinterno

2

4 (1)

vL =Q

A (2)

∆Lt =V

A (3)

A próxima etapa é transformar estas variáveis em outras com unidades compatíveis

com o motor de passo. A velocidade linear é traduzida em velocidade angular do motor (va),

em steps/s, sendo um dado de retorno visível no aplicativo, e é calculada com a seguinte

análise dimensional, dada pela Equação 4:

23

vasteps

s= vL

cm

s x

360°

dvolta cm x

1𝑠𝑡𝑒𝑝

θ° (4)

Onde dvolta é a distância linear percorrida pelo suporte quando o motor completa uma

volta (8mm, ou 0,8cm como especificado pelo fuso trapezoidal), e θ° é o ângulo resultante,

em graus, que o motor rotaciona ao realizar um passo e irá depender do ângulo de passo do

motor (α) e o modo de excitação escolhido no driver (M), que no caso foi o modo W 1-2,

onde o passo é dividido em quatro partes iguais, como pode ser visto na Equação 5.

θ° = α x M = 7,5° x1

4= 1,875° (5)

Substituindo o valor de dvolta e a Equação (5) na Equação (4), obtém-se:

va = 240 vL𝑠𝑡𝑒𝑝𝑠/s (6)

A posição final, por sua vez, é dada em cm e precisa ser transformada em número

total de steps (N°steps) a ser dado pelo motor de passo, que segue o mesmo raciocínio e

também é mostrada no aplicativo como uma variável de saída:

N°𝑠𝑡𝑒𝑝𝑠 = ∆Lt x 360°

dvolta cm x

1𝑠𝑡𝑒𝑝

θ°= 240 ∆𝐿𝑡 (7)

Estes são os cálculos realizados pelo programa ao pressionar o botão “configurar”,

cujos valores são exportados para o arduino comandar o driver em condições operacionais

adequadas. O comando “iniciar” dará início à injeção de líquido pela seringa e o contador de

tempo no canto superior direito do aplicativo. O botão “parar” pausa a injeção e o contador,

enquanto o botão “voltar” retorna o suporte à posição inicial e deverá ser pressionado apenas

no final do procedimento. Por ser uma bomba exclusivamente injetora, o êmbolo da seringa

não é puxado de volta. O volume injetado aparece como uma sinal de saída e é calculado pela

multiplicação entre o tempo de injeção e a vazão. Por fim, a tecla “fechar” encerra o

aplicativo.

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3.11. Programação do Arduino

Como explicado na seção 3.5 deste trabalho, a placa Arduino UNO é um

equipamento contendo um microcontrolador, capaz de armazenar código e o reproduzir

infinitamente, recebendo dados de entrada e enviando sinais elétricos para atuadores. Uma

vantagem da plataforma onde é desenvolvida a programação, a Arduino IDE, é a

possibilidade de baixar bibliotecas com comandos específicos para projetos.

No desenvolvimento do código que será inserido na placa Arduino UNO, foi inclusa

a biblioteca AccelStepper, contendo funções para motores de passo bipolares controlados por

um microprocessador (McCAULEY, 2013).

A programação na plataforma arduino se divide em duas etapas, o void setup() e o

void loop(). Antes dessas etapas ocorre a inclusão da biblioteca a ser usada, a declaração das

variáveis em questão e, para a bomba seringa, as portas da placa Arduino que serão

conectadas ao driver.

Dentro do void setup() é escrito todas as ações que serão executadas apenas uma vez,

como a abertura da porta serial para recebimento e exportação de dados. É através dela que o

aplicativo da bomba irá se comunicar com o Arduino. É realizada também a definição das

portas (pins) utilizadas, podendo ser de recebimento de dados (input) ou de envio de sinal

(output).

No void loop() é inserido todo o código responsável pelo funcionamento do projeto.

A bomba injetora foi desenvolvida utilizando um protocolo de comunicação condicional,

onde o aplicativo envia um determinado caractere (string) pela porta serial, sendo cada um

dos caracteres responsável por um comando de atuação no motor de passo.

Ao inserir dados da vazão, volume de injeção e área da seringa, e pressionando o

botão “configurar”, o dados são processados e enviados respectivamente para o programa do

arduino na forma da velocidade angular (va), tornando-se argumento da função

stepper.setMaxSpeed(va) em steps/s, bem como do número total de passos a serem dados

(N°steps) que é o argumento da função stepper.moveTo(N°steps).

25

Pela função de velocidade utilizada (define a velocidade máxima de operação), foi

necessário definir uma aceleração (a). Como o intuito é obter uma vazão constante, o valor da

aceleração foi definido como o dobro do módulo da velocidade e tem a unidade steps/s2,

sendo fixada pela função stepper.setAcceleration(a).

Ao teclar em “iniciar”, o Arduino mandará sinais para energização das bobinas e

início do processo de injeção, na velocidade definida, até a posição final. Caso o operador

pressione “parar”, as bobinas são desenergizadas, para evitar aquecimento do motor, parando

a injeção. Se o desejo for continuar com o procedimento, pode-se clicar em “iniciar”

novamente. Se o volume total foi injetado, ou pretende-se retornar o suporte à posição inicial,

o botão “voltar” deve ser apertado, reenergizando as bobinas e dando início ao retorno do

suporte. Ao pressionar “fechar”, a porta serial é fechada, o que encerra as atividades

realizadas pelo Arduino.

4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Calibração

O primeiro problema notado ao iniciar os testes da bomba seringa, foi o

deslocamento real do suporte ao dar um giro completo no motor (192 passos). Era esperado

que o deslocamento fosse um valor em torno de 8mm, conforme a especificação de passo do

fuso trapezoidal comprado. No entanto, para encaixar o motor ao sistema de eixos foram

utilizadas duas engrenagens, de tamanhos ligeiramente diferentes, sendo a maior encaixada no

motor de passo contendo 29 dentes (EMA), e a outra no acoplamento do eixo trapezoidal, com

25 dentes (EME), o que ocasionou a divergência no valor esperado de deslocamento. Um

deslocamento teórico de um giro completo (dTeórico) pode ser encontrado a partir da razão

entre o número de dentes das engrenagens da seguinte forma:

dTeórico =EMA

EME x 8mm (8)

dTeórico = 9,28 mm (9)

26

Para averiguar este resultado teórico, foram realizadas medições de deslocamento

para um número de voltas variando de 0 até 11 voltas. Em número de passos, os valores foram

de 192 para uma volta, chegando à 2112 passos para 11 voltas, a uma vazão fixa de 0,5mL/s.

Foi medido também o volume que a seringa de 60ml injeta ao chegar em tal ponto e o tempo

gasto no processo. O modelo de seringa utilizado de 60 mL possui um diâmetro interno de

2,61cm, obtendo uma área transversal (A) dada pela Equação (10) de:

A = π x2,61cm2

2= 5,35cm2 (10)

O deslocamento medido experimentalmente para os passos (de 0 a 11 voltas)

estabelecidos foram registrados graficamente na Figura 15.

Figura 15. Comportamento do deslocamento do suporte versus número de passos dados. Fonte:

Próprio autor, 2018.

É possível observar na Figura 15 um perfil linear do deslocamento do eixo com o

número de passos estabelecidos, cuja regressão linear dos pontos resulta em um coeficiente de

correlação (R2) superior a 0,999, o que indica que o sistema pode ser adequadamente

representado por uma reta com coeficiente angular de 0,0489. Este coeficiente indica o

deslocamento linear do suporte no eixo para cada passo realizado pelo motor. Assim, para

y = 0,0489x - 0,1359

R² = 0,9992

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500 2000 2500

Des

loca

men

to (

mm

)

Número de passos

27

encontrar o valor percorrido em uma volta, o coeficiente angular foi multiplicado por 192,

obtendo-se:

dvolta = 192 x 0,0489mm = 9,3888mm (11)

Este resultado encontrado se aproxima do valor teórico de 9,28mm calculado pela

diferença no número de dentes das engrenagens e foi usado para substituir o previamente

utilizado (8mm por volta) no aplicativo da bomba para o cálculo de velocidade de passo,

obtendo a nova função de velocidade angular:

va = 204,50 vL 𝑠𝑡𝑒𝑝𝑠/s (12)

No que se refere ao volume injetado experimentalmente, para os passos (de 0 a 11

voltas) estabelecidos, a Figura 16 demonstra também um perfil de linearidade entre estas

grandezas.

Figura 16. Comportamento do volume total injetado versus número de passos dados. Fonte: Próprio

autor, 2018.

y = 0,0268x - 0,4529

R² = 0,9999

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000 2500

Volu

me

inje

tado (

ml)

Número de passos

28

A linearidade dos pontos medidos na Figura 16 mostra o excelente controle do

Arduino juntamente com o driver sobre o motor de passo. Com os valores de volume total

injetado e tempo gasto no processo, foi possível calcular uma vazão média de 0,572 mL/s,

com um desvio padrão de ± 0,0383 mL, tendo-se um desvio absoluto de 14% em relação ao

valor de vazão estabelecido (0,5 mL/s inserido no aplicativo). Tal diferença foi encontrada

devido ao valor de dvolta que não era adequado.

Para a validação do novo valor de dvolta encontrado foram feitos testes para três

valores de vazões diferentes: uma baixa (0,1mL/s), uma média (0,5mL/s) e uma alta (1mL/s)

para os N°steps iguais à 576 (3 voltas), 1152 (6 voltas) e 2112 (11 voltas), em triplicata para

cada ponto. Os resultados deste novo teste, considerando a correção de dvolta pelo valor obtido

experimentalmente (Equação 11), estão apresentados na Figura 17 e Tabela 1.

Figura 17. Gráfico com os valores médios das vazões das triplicatas das posições para cada vazão

estabelecida. Fonte: Próprio autor, 2018.

576 1152 2112

0,1 ml/s 0,09686 0,10040 0,10136

0,5 ml/s 0,49857 0,50586 0,50759

1 ml/s 0,98802 1,01164 1,02151

0,00000

0,10000

0,20000

0,30000

0,40000

0,50000

0,60000

0,70000

0,80000

0,90000

1,00000

1,10000

Vaz

ão (

ml/

s)

Steps

29

Vazão (mL/s)

Valores médios (mL/s)

Desvio padrão (mL/s)

0,09686 0,00137

0,1 0,10040 0,00014 0,10136 0,00038

0,49857 0,00531 0,5 0,50586 0,00731

0,50759 0,00059

0,98802 0,01233

1 1,01164 0,00307 1,02151 0,00185

Tabela 1. Valores médios das triplicadas das posições com os respectivos desvios padrões. Fonte:

Próprio autor (2018).

Para cada vazão avaliada, os resultados obtidos experimentalmente foram bastante

próximos aos valores de vazão estabelecidos, isto é evidenciado pelos baixos valores de

desvio padrão das medidas. As posições foram escolhidas de modo a analisar o resultado ao

longo de toda a seringa, garantindo a precisão da vazão ao longo de seu comprimento.

4.2. Precisão

A falta de engrenagens específicas para as condições o projeto da bomba acarretou o

uso de outras de material plástico com poucos dentes, o que dificulta de trabalhar com vazões

muito abaixo de 0,1 mL/s, com a necessidade de adaptação ao eixo do motor, utilizando cola

quente, ocasionando uma perda de precisão no sistema. Outra falha foi utilizar a engrenagem

menor no fuso trapezoidal, fazendo com que este rotacione mais vezes do que o eixo do

motor, o que prejudica atingir vazões mais baixas. Ainda, o acoplamento, por mais que ajude

a estabilizar os eixos, dissipa parte da energia vinda do motor na deformação elástica do

mesmo e leva a vibrações nas engrenagens o que, aumenta as chances de pular passos em

duas situações: em velocidades mais elevadas ou quando há uma tensão maior para injeção,

esta última se deve à pressão necessária para infusão do fluído.

30

4.3. Testes de pressão

Este teste foi essencial para determinar a faixa de pressão que a bomba pode

trabalhar, e indicará em qual sistema ela pode ser utilizada e qual não pode, para não danificar

o equipamento.

O teste de pressão foi realizado com a seringa preenchida com ar, sendo esta

acoplada a um manômetro do tipo Bordon de pressão manométrica com faixa de 0 a 1kgf/cm2

(Figura 18). A bomba foi iniciada, comprimindo o ar dentro do sistema e medindo a pressão

resultante.

Figura 18. Manômetro Bourdon de pressão diferencial. Fonte: Próprio autor, 2018.

Os testes foram realizados novamente em três vazões diferentes, sendo uma baixa

(0,1mL/s), uma média (0,5mL/s) e uma alta (1mL/s), e os valores de pressão obtidos estão

apresentados no Quadro 3.

Quadro 3. Valores de pressão obtidos respectivos à vazão estabelecida.

Teste de pressão Vazão (mL/s) Pressão manométrica (kgf/cm²)

Manômetro 1kgf/cm²

0,1 0,06

0,5 0,06

1 0,09 Fonte: Próprio autor (2018).

31

Verifica-se que a pressão máxima obtida foi de 0,09 kgf/cm2 quando o valor da

vazão foi de 1mL/s. É possível dizer que em razão das engrenagens não serem metálicas e

estarem com uma relação específica, não foi possível atingir valores mais elevados de

pressão. Para aplicar a bomba seringa desenvolvida neste estudo em condições mais severas

de injeção, faz necessário a substituição das engrenagens, tornando o sistema mais robusto.

4.4. Comparativo econômico

Bombas injetoras comerciais possuem um valor elevado de compra, o que muitas

vezes impossibilita o seu uso para estudos ou aplicações, esta alternativa de baixo custo trás

vantagens que as encontradas no mercado oferecem e pode ser construída manualmente com a

ajuda deste trabalho.

No mercado, este tipo de equipamento pode ser encontrado usado, em uma faixa de

preço entre R$ 1000,00 e R$2000,00, ou novo, normalmente encontrado a um valor superior a

R$3000,00. No projeto foi levantado o custo total, levando em conta as peças compradas,

sendo o custo de material apresentado no Quadro 4. Como pode ser visto, o custo total foi

inferior a 20% do valor de uma bomba comercial nova, o que sugere como interessante o

desenvolvimento do presente projeto, tendo em vista que a aplicação de materiais

aproveitados de equipamentos inutilizados reduziu o custo final de material.

Quadro 4. Levantamento do custo do projeto da bomba.

Peças Valor

Kit 1: 4 suportes; 2 eixos de rolamento; 2 pillow blocks; 1 stepper driver TB6600 v2.1

R$ 155,00

Kit 2: 2 mancais; 1 fuso trapezoidal; 1 pillow block com castanha

R$ 130,00

Arduino UNO (no site oficial) R$

80,40

Fonte externa R$

45,00

Total = R$

410,40 Fonte: Elaborada pelo autor (2018)

32

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS

A bomba seringa apresenta ótimos resultados de vazão, embora a precisão tenha sido

um pouco prejudicada pelas condições mecânicas das engrenagens e acoplamento. A estrutura

obtida é sólida e durável, o isolamento da parte eletrônica ajuda a aumentar a vida útil do

equipamento. A parte mecânica do equipamento é simples e não oferece risco de

manuseamento.

O único inconveniente é o aquecimento do motor de passo quando submetido a

situações de tempo de execução ou pressão de trabalho elevados. O objetivo de construir um

modelo de baixo custo para uso em laboratório foi bem sucedido e ainda trás a vantagem de

poder ser operada de qualquer computador através do aplicativo gerado.

5.1. Trabalhos futuros

A construção bomba seringa, a um custo baixo, irá viabilizar e facilitar diversos

estudos no Laboratório de Fenômenos de Transporte e Energias Alternativas do Departamento

de Engenharia Química na Universidade Federal do Rio Grande do Norte.

Como a calibração foi realizada utilizando apenas uma seringa de 60mL, outros

modelos, assim como a opção de trabalhar com duas seringas, devem ser calibrados da mesma

maneira que a realizada neste trabalho.

Para melhorar a precisão da bomba seringa, o primeiro ponto a modificar são as

engrenagens. É ideal que elas sejam usinadas de forma que a razão entre o raio da maior, no

fuso, e a menor, no eixo do motor, seja a maior possível, podendo ainda utilizar de apenas

uma engrenagem maior que encaixe prefeitamente com a que existe embutida no eixo do

motor. O outro ponto a alterar é o modo de excitação do driver, onde, a depender do

experimento, pode ser modificado para aumentar ou diminuir o ângulo de passo resultante do

motor, permitindo a obtenção de vazões maiores ou menores mais precisas.

33

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALVES, Márcio Alexandre de Castro. Bombas de infusão; operação, funcionalidade e

segurança. Florianópolis. 2002.

Arduino IDE. Plataforma de Prototipação online. Disponível

em:<https://create.arduino.cc/>> Acesso em: 23 de abr. 2018.

Atmel Atmega328/P. DATASHEET SUMMARY. 2016. Disponível em :

<http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-42735-8-bit-AVR-

Microcontroller-ATmega328-328P_Summary.pdf>. Acesso em: 02 de mai. 2018.

BUTTON, V. L. da S. N. Equipamentos Médico-hospitalares e o Gerenciamento da

Manutenção. Série F. Comunicação e Educação em Saúde. Brasília DF, Capítulo 8.

Dispositivos de Infusão, 2002.

MCCAULEY, M. Biblioteca AccelStepper. Disponível em:<

http://www.airspayce.com/mikem/arduino/AccelStepper/>. Acesso em: 07 de abr. 2018.

QUEIROZ, R. A. Motores de passo. Núcleo de Pesquisa em Redes de Computadores

da Universidade de Salvador. Salvador. 2003. p.19.

TOSHIBA. Semiconductor & Storage Products. TB6600HG Stepping motor driver IC.

2018. Disponível em:< https://toshiba.semicon-storage.com/ap-

en/product/linear/motordriver/detail.TB6600HG.html>. Acesso em: 11 de abr. 2018.

VIVALDINI, K. C. T. Motores de Passo- Material Complementar. São Carlos. 2009. P. 8.

Disponível em: <http://www.mecatronica.eesc.usp.br/wiki/upload/0/0a/Motor_passo.pdf>.

Acesso em: 15 de abr. 2018.

WILSON, A. M. M. M.; PETERLINI, M. A. S.; PEDREIRA, M. da L. G. Infusion pumps

and red blood cell damage in transfusion therapy: an integrative revision of the

academic literature. Revista Latino-americana de Enfermagem, [s.l.], v. 24, p.2-2, 2016.

Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rlae/v24/pt_0104-1169-rlae-24-02763.pdf>. Acesso

em: 02 de mai. 2018.

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ANEXO A

Datasheet do motor de passo utilizado no projeto