Minicurso: Arduíno e eletrônica de interface com o mundo físico

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

Este minicurso 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 minicurso 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.

Características do microcontrolador Arduíno

Arduíno

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.

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 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: 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 (Prefixos SI)

Calculando:

R = (5 - 2)/10 . (1/10^-3) = 3/10 . 10³ = 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);

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

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: 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.

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.
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

--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]

Arduino: Entradas e Saidas