Arduíno: Entradas e Saídas

O Arduíno pode ler sensores através de pinos de entrada digitais e analógicas, assim como controlar atuadores através de saídas digitais e saídas PWM.

Características do microcontrolador Arduíno

Arduino

Site oficial do Arduíno

Saídas digitais

O Arduíno UNO possui 14 Entradas/Saídas Digitais

As entradas/saídas digitais estão localizadas nos pinos 0 a 13.
Estas entradas/saídas operam com valores digitais LOW e HIGH, os quais correspondem aos valores de tensão 0 V e 5 V, respectivamente..
Cada pino fornece corrente de até 20 mA, sendo que qualquer corrente solicitada acima de 40mA pode danificar o Arduíno.

pinMode: Comando da linguagem de programação do Arduíno que configura o pino digital como entrada (INPUT) ou saída (OUTPUT).; Exemplo:

pinMode(13, OUTPUT);

digitalWrite: Comando para escrever na saída digital.

digitalWrite(13, HIGH/LOW);

Laboratório 1: Saída digital

digitalWrite

Carregar no Arduíno o programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/Blink para piscar o led do pino 13, mantendo acesso por 1 seg e em seguida apagada por 1 seg. O led do pino 13 é um led instalado na própria placa do Arduíno.
Modificar o tempo (delay) e verificar a mudança na frequência do piscar do led.

A função delay(1000); estabelece um atraso em ms (mili segundos), logo 1000 ms = 1 s.

Leds

Um led é um diodo emissor de luz (light emitting diode). Ele se comporta como um Diodo, conduzindo apenas quanto polarizado diretamente.

Um led não pode receber tensão diretamente em seus terminais sob risco de colocar o componente em curto-circuito. A corrente elétrica no led deve ser limitada, tipicamente entre 10 mA a 30 mA por um resistor externo.

A queda de tensão direta nos leds depende da cor do led. De modo simplificado, tipicamente se usa-se queda de tensão de 2 V.

Exemplo cálculo do resistor de proteção de um circuito com led: Supondo:

I_led = 10 mA

Soma das tensões ao longo da malha (2^a Lei de Kirchhoff):

V = V_led + R.I

Isolando R:

R = (V - V_led) / I

Atribuindo valores:

V = 5V, V_led = 2V, I = 10mA

Calculando:

R = (5 - 2)/(10/1000) = 3/(1/100) = 3 . 100 = 300Ω

Valores comerciais:

270Ω ou 330Ω

Código de cores de resistores

Projeto 1: Semáforo automatizado com leds

Semáforo

Montar hardware para acionamento de 3 leds (vermelho, verde e amarelo), comandados por 3 saídas digitais independentes do Arduíno, utilizando resistores de proteção adequados.
Modificar programa Arquivo/Exemplos/Basic/Blink para acionar os leds como um semáforo, com temporização adequada para cada cor.

Entradas digitais

Um pino digital do Arduíno pose ser definido como entrada (INPUT).

pinMode(2, INPUT);

digitalRead: Comando para ler o estado de uma entrada digital.

int estadoPino; 
estadoPino = digitalRead(2);

Neste caso o Arduíno vai ler se o estado do pino é LOW (0 V) ou HIGH (5 V).

Chave digital

Uma chave digital fornecerá 0 V (LOW) ou 5 V (HIGH) caso estiver aberta ou fechada.

Funcionamento:

Caso a chave estiver aberta, não haverá corrente no o resistor e a tensão entregue ao pino do Arduíno será 0 V.
Caso a chave estiver fechada, haverá corrente no resistor e a tensão entregue ao pino do Arduíno será 5 V.

Corrente no resistor:

V = R I (Lei de Ohm)

Isolando I:

I = V / R

Atribuindo valores:

V=5V, R=10k(Ω)  (Prefixos SI)

Calculando:

I = 5/10 . (1/10³) = 0,5 . 10^-3 = 0,5 mA

Corrente desprezível para o Arduíno.

Laboratório 2: Chave digital

digitalRead

Montar hardware com chave (push botton), utilizando resistores de proteção de 10 KΩ.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Digital/Button para ligar ou desligar led em função de pressão em chave digital.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/DigitalReadSerial para verificar no terminal serial o valor da chave digital.

Projeto 2: Coreografia com leds

Implementar uma coreografia de luzes com 6 leds e 2 chaves digitais, de forma que, a cada combinação de chaves acionadas uma coreografia de luzes seja executada.

Entradas Analógicas

O Arduíno UNO possui 6 entradas analógicas: As entradas analógicas utilizam um processo de Conversão Analógico Digital (ADC) para obter valores digitais correspondentes a cada entrada.

As entradas analógicas são nomeadas de A0 até A5.
Cada entrada analógica recebe valores analógicos entre 0 V e 5 V.
Os valores analógicos são convertidos para valores digitais com 10 bits de resolução (valores entre 0 (0000000000) a 1023 (1111111111).

analogRead: Comando para ler entrada analógica.

int valorPino;
valorPino = analogRead(A0);

Potenciômetros

São resistências variáveis através de um cursor.

Na figura, através de um potenciômetro é possível implementar um divisor de tensão com uma tensão variável V_x obtida a partir do terminal central do potenciômetro.

Laboratório 3: Leitura de entrada analógica

analogRead

Montar hardware com utilizando o ponto central de um potenciômetro conectado a entrada analógica A0 (com os demais terminais conectados ao GND e 5V, respectivamente).
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/AnalogReadSerial e verificar o valor da entrada analógica no monitor serial.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/ReadAnalogVoltage e verificar o valor da entrada analógica em Volts no monitor serial.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Analog/AnalogInput e verificar o valor da frequência do pulsar do led em função do valor do potenciômetro.

Projeto 3: Coluna de leds e potenciômetro

Montar hardware com uma coluna de 5 leds utilizando um resistor de proteção para cada led e um potenciômetro.
Acender a coluna de leds em função da tensão lida no ponto central do potenciômetro.

Saídas Analógicas

O Arduíno emula saídas analógicas através de modulação PWM (Pulse Width Modulation).

O sinal PWM é uma onda quadrada, com frequência constante, mas a fração de tempo em que o sinal é HIGH (5V) (duty cycle) pode variar entre 0 e 100%, fornecendo uma média de tensão variável na saída ^[1].

As 6 Saídas PWM são identificadas pelo sinal ~ e fornecem saídas analógicas através de pulsos PWM de 8 bits, possibilitando, portanto, 256 valores diferentes de tensão analógica entre 0V e 5V, com passos de 0 a 255.

Laboratório 4: Saída analógica

analogWrite
analogRead
map;

Montar hardware para acionamento de led conectado ao pino 9, escolhendo resistor de proteção adequado;
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/Fade e verificar a variação da luminosidade do led da porta 9.
Montar hardware com utilizando o ponto central de um potenciômetro conectado a entrada analógica A0 (com os demais terminais conectados ao GND e 5V, respectivamente).
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Analog/AnalogInOutSerial e verificar a variação da luminosidade do led da pino 9 em função do potenciômetro.

Monitor Serial

O monitor serial permite enviar dados do computador ao Arduíno pela interface serial USB.

Laboratório 5: Monitor serial

Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/PhysicalPixel e acionar o led do pino 13 a partir de comandos H e L enviados pelo terminal serial.
Montar hardware para acionamento de led conectado ao pino 9, escolhendo resistor de proteção adequado;
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/Dimmer e controlar a intensidade do led do pino 9 a partir do envio de valores entre 0 e 255 pelo terminal serial.
No programa exemplo acima, trocar a linha:

brightness = Serial.read();

por

brightness = Serial.parseInt();

para converter os caracteres ASCII lidos para inteiros.

Led RGB

Um led RGB apresenta em um único led a possibilidade de fornecer todas as cores, obtidas a partir da mistura das cores primárias luz, ou cores primárias aditivas, que são vermelho (Red), verde (Green) e azul (Blue).

As cores primárias não resultam da mistura de nenhuma cor.
A cor branca é a soma das três cores primárias.
As cores secundárias são misturas de duas cores, como o amarelo, ciano e magenta.
A cor preta é a ausência de cores.
As demais cores requerem mistura das três cores primárias em quantidades específicas.

COLOR PICKER: A ferramenta color picker é utilizada para obter as misturas das cores primárias utilizada na Linguagem HTML com uma paleta de 256 cores RBG.; A quantidade de cada cor RGB está expressa em hexadecimal de 8 bits, por exemplo, o amarelo é #FFFF00, ou seja, é o resultado da mistura do vermelho (FF ou 255) e do verde (FF ou 255), sem nada de azul (00 ou 0) .; A quantidade de cada cor RGB também é mostrada em valores de 0 a 255.

Leds RGB

Os leds RGB são encontrados em duas estruturas:

Anodo comum;
Catodo comum.

Laboratório 6: Led RGB

Cores primárias: digitalWrite.

Montar hardware para led RGB anodo comum utilizando resistores de proteção adequados.
Modificar programa blink para piscar cores vermelho (R), verde (G) e azul (B) alternadamente;
Variar a frequência do piscar de leds RGB nos seguintes valores:
- 1 Hz
- 10 Hz
- 100 Hz
- 1000Hz

Verificar o resultado nas cores observadas.

Projeto 4: Misturando as cores primárias com leds RGB

Misturando as cores primárias: analogWrite

Montar hardware para led RGB anodo comum utilizando os pinos 3, 5 e 6 respectivamente.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Communication/ReadASCIIString e misturar as cores do led RGB utilizando quantidades de RGB de 0 a 255, de modo a obter as cores mostrada na tabela de cores acima.
Montar hardware com utilizando três potenciômetros conectado a três entradas analógicas, as quais devem ser combinadas para misturar as cores do led RGB.

Referências

↑ https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM

Evandro.cantu (discussão) 09h41min de 17 de setembro de 2021 (-03)

[1] ttps://www.arduino.cc/en/Tutorial/SecretsOfArduinoPWM

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