Edição das 12h20min de 17 de setembro de 2021

Curso: Arduíno e eletrônica de interface com o mundo físico

Professor Evandro Cantú: Instituto Federal do Paraná - Campus Foz do Iguaçu

Objetivos: Este curso tem como objetivos realizar uma introdução ao microcontrolador Arduíno e a eletrônica de interface com o mundo físico a partir de atividades teóricas e práticas.

O curso está organizados em módulos, cada um deles trabalhando conceitos específicos sobre o microcontrolador Arduíno e os correspondentes conceitos de eletricidade e eletrônica envolvidos nos sensores e atuadores de interação com o mundo físico.

Carga Horária: O curso completo tem carga horária de 20 horas. Entretanto, como está organizado em módulos, pode ser adaptado para uma carga horária menor, reduzindo o número de módulos a serem trabalhados.

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

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.

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 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);

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.

Coluna de leds

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.

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 (2^a Lei de Kirchhoff)

V = I.R₁ + I.R₂

Isolando I:

I = V / (R₁ + R₂)

Mas:

V₁ = R₁.I

Substituindo I temos:

V₁ = R₁/(R₁ + R₂) . V

O mesmo para V₂:

V₂ = R₂/(R₁ + R₂) . V

Note que, Se:

R = R₁ = R₂

Temos:

V₁ = V₂ = R/(R + R) . V = R/(2.R) . V = V / 2

Simulação do funcionamento do Divisor de Tensão: Circuits -> Basic -> Voltage Divider

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: O LDR (Light Dependent Resistor) é um resistor dependente de luz ou fotoresistor, o qual varia sua resistência em função da luminosidade.

Montar hardware com o sensor LDR, conforme mostrado na figura acima.
Testar o código exemplo Arquivo/Exemplos/Analog/AnalogInput, e verificar o valor da frequência do pulsar do led em função do valor da luminosidade.
Carregar programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/AnalogReadSerial e verificar o valor da entrada analógica gerada pelo LDR no monitor serial.

Laboratório 7: Sistema indicador de luminosidade

LDR

Montar hardware com sensor LDR utilizando divisor de tensão para o sensor e uma coluna de 5 leds utilizando um resistor de proteção para cada led.
Construir programa para ir acendendo os leds a medida que aumenta a luminosidade.

Use o programa exemplo Arquivo/Exemplos/Basic/AnalogReadSerial para verificar como a luminosidade do ambiente interfere no LDR.

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 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.

Monitor Serial

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

Laboratório 9: 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 10: 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, de modo a obter as cores mostrada na tabela de cores acima.

Sensor de Temperatura NTC 10k

O sensor de temperatura NTC 10k é um thermistor, isto é, um resistor cuja resistência varia com a temperatura, podendo medir de −90 °C a 130 °C.

Existem dois tipos de thermistores:

NTC (Negative Temperature Coefficient), no qual a resistência diminui com o aumento da temperatura;
PTC (Positive Temperature Coefficient), no qual a resistência aumenta com o aumento da temperatura.

Para leitura com o Arduíno, o sensor NTC 10k é utilizado numa estrutura com um divisor de tensão com um resistor de 10K Ω.

Esquema de ligação com Arduíno:

Cálculo da resistência do NTC: Na temperatura de 25 °C a resistência do NTC é 10 k Ω, variando linearmente com a temperatura.; Portando, quando:

R_NTC = 10k Ω (25 °C)

Temos:

leitura_analógica = 512 (V_divisor = 2,5V)

Logo, para qualquer leitura analógica temos:

R_NTC = 10k . (1023/leitura_analógica - 1)

Equação de Steinhart–Hart

A equação de Steinhart–Hart (https://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor), detalha a operação do thermistor NTC relacionando a variação de temperatura (Kelvin) com a resistência (Ω).

{1 \over T}=a+b\,\ln(R)+c\,(\ln(R))^{3}

onde a, b e c são parâmetros de Steinhart–Hart específicos para cada dispositivo.

Valores típicos para um thermistor com resistência de 10K Ω na temperatura de (25 °C = 298.15 K) é:

a = 0.001129148,
b = 0.000234125,
c = 0.0000000876741.

Laboratório 11: Sensor de Temperatura com NTC

Monte o hardware para o sensor de temperatura NTC10k;
Carregue e teste o código abaixo (adaptado de ^[2]):

//Sensor de temperatura NTC10k
#include <math.h>
const double a = 0.001129148;     //
const double b = 0.000234125;     //Parâmetros de Steinhart–Hart
const double c = 0.0000000876741; //
void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
}
void loop() 
{
  double R;    //Resistência do NTC
  double T;    //Temperatura em Kelvin
  int leitura; //Leitura analógica (0 a 1023)
  leitura = analogRead(A0);
  R = (10000.0 * ((float)1023/leitura - 1));  //Calcula valor de R em função da leitura
  T = 1 / (a + (b * log(R)) + (c * pow(log(R),3))); //Equação de Steinhart–Hart 
  T = T - 273.15; //Converte Kelvin para Celcius
  Serial.print("Temperatura: "); 
  Serial.print(T);
  Serial.println(" oC");  
  delay(1000);
}

Sensor de temperatura (LM35)

Funcionamento do sensor LM35: O LM35 é um circuito integrado exclusivo para medir temperatura com uma tensão de saída variando linearmente com a temperatura em graus Célsius.; Na configuração básica este sensor mede temperaturas entre 2^oC e 150^oC, variando a saída em função da temperatura de 0 mV + 10mV por 1^oC.; Com a configuração mostrada em ^[3] é possível medir temperatura de -55^oC e 150^oC.

Esquema de ligação com Arduíno

            _______
           |       |
           | LM 35 | 
           |_______|
             | | |
   (+5v) ----+ | +---- (Ground)
               |
          Analog Pin 
       0mV + 10mV / ^oC

Leitura pela entrada analógica do Arduíno: O valor de tensão (entre 0V e 5V) lido pelo Arduíno na entrada analógica é convertido um número digital com 10 bits de magnitude, ou seja, 2¹⁰ (1024) valores (entre 0 e 1023).

Para obter o valor de tensão, para uso no cálculo da temperatura, multiplica-se o valor digital obtido na leitura por 5/1023.

Como a tensão medida pelo sensor varia de 0 mV + 10mV/1^oC, se multiplicarmos por 100, teremos o valor em graus Celsius:

Laboratório 12: Sensor de temperatura LM35

Monte o hardware com LM35 conforme a figura, utilizando a entrada analógica A0 para leitura.
Carregue o código exemplo abaixo e verifique o funcionamento do sensor:

 //Sensor de temperatura LM35
 float valorSensor;
 float temperatura;
 void setup() {
   Serial.begin(9600);
 }
 void loop() {
   valorSensor = analogRead(A0) * 5.0 / 1023.0;
   temperatura = valorSensor * 100.0;
   Serial.print("Temperatura: ");
   Serial.println(temperatura);
   delay(2000); //Tempo entre as leituras em ms
 }

Sensor de Temperatura e Humidade DHT11

O DHT11 é um sensor de temperatura e humidade. Este sensor inclui um medidor de humidade resistivo e um sensor de temperatura tipo NTC conectado a um microcontrolador de 8 bits ^[4].

O DHT11 possui uma biblioteca com funções prontas para seu funcionamento, documentada em ^[5].

Esquema de ligação com Arduíno

            _______
           |       |
           | DHT11 | 
           |_______|
             | | |
(Ground) ----+ | +---- (+5v)
               |
          Analog Pin 1

Laboratório 13: Sensor de temperatura DHT11

Monte o hardware com DHT11 conforme a figura, utilizando a entrada analógica A1 para leitura.
Baixe a biblioteca DHT11.zip e salve no computador (Última versão disponível em ^[6]).
A biblioteca DHT11, contida no arquivo DHT11.zip, é formada por dois arquivos:
- dht11.h
- dht11.cpp
Insira a biblioteca DHT11.zip no ambiente da IDE do Arduíno:

Sketch -> Incluir Biblioteca -> Adicionar biblioteca .ZIP

As bibliotecas são instaladas por padrão no diretório:

~/Arduino/libraries

Carregue o código exemplo abaixo e verifique o funcionamento do sensor:

 //Sensor de temperatura LDHT11
 #include <dht11.h>
 dht11 sensor; //Inicializa sensor
 void setup() {
   Serial.begin(9600);
   delay(1000);
 }
 void loop() {
   sensor.read(A1);
   Serial.print("Temperatura (oC): ");
   Serial.println(sensor.temperature);
   Serial.print("Unidade (%): ");
   Serial.println(sensor.humidity);
   delay(2000); //Tempo entre as leituras em ms
 }

Acionamento de Cargas com Relés

Um relé é um interruptor eletromecânico ou eletrônico que pode ser utilizado para ligar ou desligar cargas conectadas em 127/220V CA (Corrente Alternada).

O acionamento do relé pelo Arduíno é realizado a partir de uma saída digital, além do fornecimento das tensões 5V e GNG para alimentar o relé.

A carga CA é conectada nos terminais de potência do relé, o qual geralmente apresenta três terminais:

NA - Normalmente Aberto
COM - Comum
NF - Normalmente Fechado

Para acionamento de uma carga simples, como uma lâmpada, utilizar NA-COM como chave liga-desliga.

Laboratório 14: Acionamento de uma lâmpada com relé

LDR e relé

Montar hardware com sensor LDR e um relé para acionamento pelo Arduíno de uma lâmpada 127/220V.
O circuito da lâmpada na rede 127/220 V CA é mostrado na figura abaixo.

Sensor Piezoelétrico

Um sensor piezoelétrico é um dispositivo eletrônico que gera uma tensão quando é atingido por uma vibração, onda sonora ou uma tensão mecânica ^[7].

Para usar o sensor piezoelétrico com o Arduíno, utiliza-se analogRead() para ler uma tensão de 0 a 5V, a qual será convertida pelo Conversor Analógico Digital para valores digitais 0 a 1023.

Se a tensão lida for maior que um limiar, supõe-se que o sensor piezoelétrico detectou uma vibração.

Circuito: O sensor piezoelétrico tem polaridade. O terminal negativo deve ser ligado a terra, em paralelo com um resistor de 1 M Ω. O terminal positivo deve ser ligado a entrada analógica.

Laboratório 15: Sensor Piezoelétrico

Monte o hardware para o sensor piezoelétrico e teste o código abaixo (adaptado de ^[7]).
Pode ser necessário testar vários valores para o limiar para definir o melhor funcionamento do sensor piezoelétrico.

//Sensor Piezoelétrico

const int limiar = 100;     // tensão de limiar
int leituraSensor = 0;      // veriável com leitura do sensor
int estadoLed = LOW;        // estado inicial do led

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT); 
  Serial.begin(9600);
}       

void loop() {
  leituraSensor = analogRead(A0);
  if (leituraSensor >= limiar) {
    estadoLed = !estadoLed; //inverte estado do led
    digitalWrite(13, estadoLed);
    Serial.println("Vibração detectada!");
  } 
  delay(100);
}

Referências

Realizações do Curso sobre Arduíno e Eletrônica

Curso para alunos voluntários IFPR 2016 (12 horas)
Curso para professores e alunos IFSC 2017 (12 horas)
Oficina Sepin IFPR 2017 (2 horas)
Curso para alunos voluntários IFPR 2017 (12 horas)
Oficina EREF 2018 (2 horas)
Curso vinculado a Projeto de Ensino do IFPR 2018 (20 horas)
Módulo de Introdução o Arduíno (4 horas) realizado anualmente (2016, 2017, 2018 e 2019) nas disciplinas:
- Introdução a Computação - Técnico em Informática
- Introdução a Computação - TADS
- Informática Aplicada ao Ensino de Física - Licenciatura em Física

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

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

[2] ttp://playground.arduino.cc/ComponentLib/Thermistor2

[3] ttp://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf

[4] ttp://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf

[5] ttp://playground.arduino.cc/main/DHT11Lib

[6] ttps://github.com/adafruit/DHT-sensor-library

[Piezo-7] 7,0 ^7,1 https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Knock

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

@@ Linha 39: / Linha 39: @@
 [[Arquivo:led.jpeg | 200px]]
-Para utilizar um '''led''' é necessário alguns conceitos de '''[[Eletricidade Básica]]'''.
 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.
@@ Linha 57: / Linha 55: @@
   R = (V - V<sub>led</sub>) / I
 :Atribuindo valores:
-  V = 5V, V<sub>led</sub> = 2V, I = 10mA ([https://pt.wikipedia.org/wiki/Prefixos_do_Sistema_Internacional_de_Unidades#Lista_de_prefixos_do_SI Prefixos SI])
+  V = 5V, V<sub>led</sub> = 2V, I = 10mA
 :Calculando:
   R = (5 - 2)/(10/1000) = 3/(1/100) = 3 . 100 = 300&Omega;

Arduino: Entradas e Saidas: mudanças entre as edições