Arduino: Entradas e Saidas

Minicurso: Arduíno e eletrônica

Este minicurso tem como objetivos realizar uma introdução ao microcontrolador Arduíno e a eletrônica a partir de atividades teóricas e práticas.

O minicurso está organizados em módulos, cada um deles trabalhando conceitos específicos sobre o microcontrolador Arduíno e os correspondentes conceitos de eletricidade e eletrônica envolvidos.

Características do microcontrolador Arduíno

Arduíno

Site oficial do Arduíno

• Link para exemplos prontos

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.

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 no led deve ser limitada, tipicamente entre 15 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

Soma das quedas de tensão ao longo da malha:

V = Vled + R.I

V = 5V, Vled = 2V, I = 10mA
R = (5 - 2)/15 = 300Ω 

Valores comerciais:

270Ω ou 330Ω

Código de cores de resistores

Laboratório 2: 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.

• 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:

I = V / R
5 (V) / 10k (Ω) = 0,5 mA

Laboratório 3: 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.

Laboratório 4: 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);

Divisor de Tensão

Quando uma tensão é aplicada sobre resistores em série, a tensão total sobre os dois resistores é igual a somas das quedas de tensão sobre cada resistor.

Quedas de tensão ao longo da malha:

V = V1 + V2
V = I.R1 + I.R2

ou

V1 = R1/(R1 + R2) . V
V2 = R2/(R1 + R2) . V

Simulação do funcionamento do Divisor de Tensão

Circuits -> Basic -> Voltage Divider

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.

Simulação do funcionamento do Potenciômetro Divisor de Tensão

Circuits -> Basic -> Potentiometer Divider

Laboratório 5: 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.

Sensores baseados em resistência variável para Arduíno

Sensores de luminosidade (LDR) e sensores de temperatura (como o NTC) possuem um resistor variável em função da grandeza que estão medindo.

Laboratório 6: Sensor de luminosidade LDR

LDR

• Montar hardware com o sensor LDR, conforme mostrado no link do exemplo Arquivo/Exemplos/Analog/AnalogInput, e verificar o valor da frequência do pulsar do led em função do valor da luminosidade.

Laboratório 7: Sistema indicador de luminosidade

LDR

• Montar hardware com sensor LDR e três leds (vermelho, amarelo e verde), utilizando divisor de tensão para o sensor e resistores de proteção adequados para os leds.
• Construir programa para acender led verde com alta luminosidade, led amarelo com média luminosidade e led vermelho com baixa luminosidade.

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 .

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 8: 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.

Comunicação Serial

A comunicação serial permite enviar dados do computador ao Arduíno pela interface serial.

Laboratório 9: Comunicação 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.

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. A cor preta é a ausência de cores. As demais cores requerem mistura das três cores primárias em quantidades específicas.

Os leds RGB são encontrados em duas estruturas:

• Anodo comum;
• Catodo comum.

Tabela de mistura das cores primárias

A tabela abaixa mostra a mistura das cores primárias utilizada na Linguagem HTML com uma paleta de 256 cores RBG.

A quantidade de cada cor RGB está expressa em hexadecimal, por exemplo, o amarelo é #FFFF00, ou seja, é o resultado da mistura do vermelho e do verde.

Laboratório 3: 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.

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.

Referências

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--Evandro.cantu (discussão) 16h33min de 12 de setembro de 2016 (BRT)

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