Como conectar um cooler (ou outro motor) e controlar sua velocidade com base na temperatura do Raspberry Pi

Atualização: Conheça também nossa primeira placa de expansão para Raspberry Pi que faz exatamente o que é explicado nesse post além de incluir um sensor IR.

Já apresentei aqui no passado como ligar um motor ao Raspberry Pi utilizando a ponte H L298N. Há casos em que não há necessidade de uma ponte H e um simples transistor em conjunto de outros componentes pode ajudar em nosso projeto.

Os esquemas abaixo servem tanto para conexão de motores DC comuns como também coolers (chamados também de fan) sem escova (com entrada DC) desde que sigam a especificação do transistor e o limite de corrente que o Raspberry Pi é capaz de fornecer.

Veja esse outro post caso queira ligar um sensor de temperatura no Raspberry Pi.

Iremos utilizar 3 componentes básicos: transistor NPN, resistor e diodo. Uma fonte externa poderá ser necessária dependendo da tensão e consumo da carga.

Os componentes podem ser reutilizados de sucata, entretanto é bom verificar se estão em boas condições. Caso necessário você pode encontrar pacotes com vários modelos comuns de transistors, resistors ou diodos.

Apesar do Raspberry Pi da capa ser o 2 Modelo B, os testes foram feitos no antigo Modelo B rev 2.0, entretanto todos os modelos funcionam com o mesmo esquema.

Atenção: Jamais tente controlar diretamente um motor nos GPIOs (não estou falando do pino de 5V) do Raspberry Pi, pois o limite de corrente é baixo.

Como ligar um cooler ou motor dc ao Raspberry Pi

A conexão elétrica de um cooler sem escovas ou motor DC comum será feita e controlada utilizando um transistor NPN. Dessa forma será possível controlar tanto os estados ligado e desligado quanto a sua velocidade.

Utilizei o transistor NPN PN2222, entretanto é possível utilizar outros modelos NPN desde que se verifique em sua especificação (datasheet) a ordem de seus terminais e sua corrente máxima de operação. Caso tiver com dificuldades, informe o modelo nos comentários que tentarei ajudar.

O NPN PN2222 (invólucro TO-92) suporta uma corrente de até 600mA em seu coletor. Sua carga não poderá ultrapassar essa especificação.

O resistor de 1k Ohm que será ligado ao GPIO18 do Raspberry Pi fará o papel de limitador de corrente (3,3mA), deixando passar o mínimo necessário (mas com folga) para fazer o chaveamento do transistor.

Atualização: Utilize um resistor de 470 Ohm no caso do PN2222.

O diodo não precisa ser um valor específico desde que seja um diodo comum com tensão reversa bem acima da utilizada no circuito. Ele é colocado de forma contrária à condução do circuito. Seu objetivo é atuar como proteção quando há o efeito de tensão reversa causado em cargas indutivas quando a energia é cortada. O modelo que estou utilizando é o FR103 retirado de sucata.

O esquema de conexão abaixo utiliza como fonte de energia o próprio Raspberry Pi.

Além das limitações dos componentes utilizados é necessário ficar atento na limitação de corrente que o próprio Raspberry Pi pode fornecer. É bom lembrar que existe um polyfuse de 2A na entrada da placa, portanto de nada adiantará você colocar uma fonte de 10A pois não conseguirá consumir tudo isso e mesmo se pudesse haveria provavelmente a limitação nas trilhas. Portanto evite colocar cargas com picos maiores que 1.2A no pino de 5V. Sua fonte terá que fornecer energia suficiente. Caso esteja já no pico de consumo dos 1.2A nas USBs não recomendo ligar o motor/cooler diretamente no pino de 5V.

Caso seu motor/cooler use 5V (se for 12V até poderá funcionar, mas de forma reduzida), consuma energia dentro das especificações do Raspberry Pi (e sua fonte ligada nele), utilize o seguinte esquema:

Esquema elétrico

Esquema na protoboard

Fique atento aos pinos e à polarização das conexões para não danificar nada. No caso do cooler de PC geralmente há os fios vermelho(positivo) e preto(negativo). O fio branco caso exista é referente ao sensor de RPM que não iremos utilizar.

Como ligar um cooler ou motor dc ao Raspberry Pi utilizando uma fonte externa

Para conexão de coolers ou motores com escovas de tensão maior do que os 5V que o Raspberry Pi pode suprir é necessário cuidado redobrado.

As conexões que permanecerão na placa serão somente as do GPIO18 e GND. Utilizando uma fonte externa, seu polo positivo será conectado no positivo (VCC) do motor e o negativo no GND do emissor.

Apesar da fonte utilizada no esquema abaixo ser de 12v, qualquer fonte DC  pode ser usada desde que não ultrapasse a tensão mínima e máxima suportada pelos componentes (incluindo aí o cooler/motor) do circuito. Verifique também se sua fonte externa supre a corrente necessária para seu cooler/motor dc.

Esquema elétrico com fonte externa

Esquema na protoboard com fonte externa

Como controlar manualmente a velocidade do cooler ou motor via PWM

Uma das formas mais básicas de controlar a velocidade via PWM é utilizando a ferramenta "gpio" da biblioteca wiringPi.

Faça o download da biblioteca utilizando o GIT com o seguinte comando no terminal:

$ git clone git://git.drogon.net/wiringPi

Caso não tenha o git instalado execute:  

$ sudo apt-get install git-core

Entre no diretório da wiringPi e execute:

$ sudo ./build

Esse comando irá compilar e instalar automaticamente a biblioteca e a ferramenta.

Anteriormente foi descrito a utilização do GPIO18 para o controle do cooler/motor porque é esse GPIO que fornece o sinal PWM(PWM0) por hardware que iremos ativar. É possível utilizar no GPIO12 do Raspberry Pi B+,A+,2B o mesmo canal PWM e outro canal do PWM(PWM1) no GPIO13 caso o áudio não for utilizado.

A utilização do comando é simples, primeiro colocamos o GPIO18 (referenciado na wiringPi como 1) em modo PWM.

$ gpio mode 1 pwm

Após isso basta fornecer o valor do PWM que vai de 0 (desligado) a 1023 (velocidade máxima):

$ gpio pwm 1 1023

Caso não funcione revise as conexões elétricas.

Como controlar o cooler com base na temperatura do Raspberry Pi

Finalmente a cereja do bolo, se você leu até aqui e esse era seu objetivo final ele será contemplado.

Apesar de geralmente o Raspberry Pi não precisar de refrigeração (o SoC tem temperatura máxima de 85° e a memória opera até 80 graus) há algumas situações em que sua utilização pode ser necessária, como em locais extremamente quentes ou pessoas que fazem um bom overclock com overvolt. Mesmo que não seja seu caso e mesmo assim use ou queira usar um cooler é possível diminuir o barulho que alguns fazem (algo que já vi alguns reclamarem) controlando sua velocidade de forma como os desktops, notebooks e outros aparelhos fazem a anos. E levando em conta a temperatura do chip.

Programei um daemon que fará todo trabalho sujo. Primeiramente ele irá ler a temperatura da CPU via sysfs em "/sys/class/thermal/thermal_zone0/temp". Posteriormente ele irá compensar a velocidade do cooler de acordo com os parâmetros que foram passados pelos argumentos.

Será necessário a instalação da biblioteca wiringPi. Caso ainda não tenha instalado volte ao tópico anterior.

Baixe o fan_pi utilizando o GIT:

$ git clone https://github.com/everpi/fan_pi.git

Entre no diretório, compile e instale:

$ cd fan_pi
$ make
$ sudo make install

A partir desse momento já será possível testar o aplicativo, será necessário ou utilizar sudo ou rodar como root. O programa tem dois parâmetros fundamentais e um opcional.

$ sudo fan_pi

  Fan Controller by blog.everpi.net

    Usage: [TEMP_MIN] [TEMP_RANGE] [option]
             -d    daemon

O primeiro argumento (TEMP_MIN) é a temperatura mínima que irá fazer com que seu cooler comece a girar. O segundo argumento (TEMP_RANGE) é o intervalo em graus a partir do primeiro argumento em que a velocidade do cooler irá variar.

Por exemplo, se escolho os parâmetros 30 e 10:

$ sudo fan_pi 30 10

Até os 29 graus o cooler permanecerá desligado, quando e se chegar os 30° ele ligará, caso volte aos 29 ele desligará novamente. Caso a temperatura continue a subir, a velocidade será cada vez maior até chegar em 40 graus onde estará na velocidade máxima.

Para executar o programa em modo daemon basta executar com o terceiro parâmetro "-d".

$ sudo fan_pi 30 10 -d

Veja o vídeo abaixo de demonstração (aumente o volume quando o cooler iniciar para ouvir a aceleração):



Caso seu cooler não inicie com a temperatura mínima declarada no primeiro parâmetro é possível alterar o valor padrão do PWM para inicialização na seguinte linha do código:

#define PWM_MIN 500

Você pode testar com facilidade usando a ferramenta "gpio" o valor em que seu cooler inicia.

Quem irá utilizar esse esquema de modo contínuo pode querer colocar o programa para iniciar com o sistema, para isso basta abrir o arquivo "/etc/rc.local" (no sistema Raspbian) e colocar "/usr/local/bin/fan_pi 30 10 -d" uma linha antes de "exit 0". Substituindo os parâmetros pelos desejados é claro.

Conclusão e observações finais

Foi possível verificar no vídeo de demonstração a estabilização da temperatura entre 34 e 35 graus onde a velocidade do cooler aumentava e diminuia de acordo o aumento de temperatura.

Existe a possibilidade de utilizar outros pinos para o que foi feito emulando por software o PWM utilizando uma API interna da wiringPi.

Caso queira controlar o cooler para refrigerar outro dispositivo com base em sua temperatura, você pode ligar um sensor de temperatura externo digital ou analógico utilizando um adc.

Qualquer dúvida poste nos comentários.