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

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(pino, HIGH/LOW)

Laboratório 1: Saída digital

Blink

Carregar no Arduíno o programa exemplo 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

Para entender o funcionamento dos leds, alguns conceitos são necessários:

Eletricidade Básica: Conceito e relação entre tensão, corrente e resistência elétrica - Lei de Ohm.

Resistores: Código de cores para resistores

Diodos e Leds: Cálculo do resistor de proteção de um circuito com led.

Laboratório 2: Semáforo automatizado com leds

Blink

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 blink para acionar os leds como um semáforo, com temporização adequada para cada cor.

Frequência e período de um sinal periódico

A frequência é uma grandeza física que indica o número de ocorrências de um evento (ciclo ou oscilações) em um determinado intervalo de tempo. Esse tempo recebe o nome de período (T).

A unidade de medida de frequência é o Hertz (Hz):

 1  Hz =    1 ciclo/segundo
60  Hz =   60 ciclos/segundo (p. ex. frequência da tensão alternada senoidal da rede elétrica)
 1 KHz = 1000 ciclos/segundo

Relação entre frequência (f) e período (T):

f = 1 / T

Sinais periódicos digitais geralmente são ondas quadradas, com os níveis lógicos LOW (0 V) e HIGH (5 V). A transição LOW para HIGH é chamada transição positiva (borda de subida) e a transição de HIGH para LOW é chamada transição negativa (borda de descida).

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.

estadoPino = digitalRead(pino)

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 sobre 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

Button

Montar hardware com chave (push botton), utilizando resistores de proteção de 10 KΩ.
Carregar programa exemplo Button para ligar ou desligar led em função de pressão em 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 são nomeadas de A0 até A5.
Cada entrada analógica recebe valores analógicos entre 0 V e 5 V, os quais são convertidos para valores digitais com 10 bits de resolução (valores entre 0 e 1023).

analogRead: Comando para ler entrada analógica.

valorPino = analogRead(pinoAnalogico)

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.

V = V₁ + V₂
V = I.R₁ + I.R₂

ou

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

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 Vx obtida a partir do terminal central do potenciômetro.

Laboratório 5: Leitura de entrada analógica

AnalogReadSerial

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 Basic/AnalogReadSerial e verificar o valor da entrada analógica no monitor serial.

Aplicação do Divisor de Tensão

Sensores baseados em resistência variável para Arduíno: Sensores de luminosidade (LDR) e sensores de temperatura possuem um resistor variável em função da grandeza que estão medindo.

Laboratório 6: Entrada analógica

AnalogInput

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 Analog/AnalogInput e verificar o valor da frequência do pulsar do led em função do valor do potenciômetro.

Sensor de luminosidade LDR

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

Laboratório 7: Sensor de luminosidade LDR

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%, fornencedo 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.

Referências

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

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

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

[1]

Arduino: Entradas e Saidas

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