Projeto de Sistemas Eletrônicos

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1 Curso de Formação Profissional Técnico em Eletroeletrônica Módulo II Senai Arcos-MG Projeto de Sistemas Eletrônicos Raphael Roberto Ribeiro Silva Técnico em eletroeletrônica pelo INPA Arcos Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga CFP Eliezer Vitorino Costa

2 São circuitos integrados que possuem internamente vários recursos, como: conversores A/D, circuito PWM, memória RAM e EEPROM, comunicação RS232, USB, entre outras, de acordo com o modelo do microcontrolador. 1 Arquitetura Interna de um Microcontrolador Um microcontrolador é constituído internamente por diversos circuitos que oferecem aos projetistas recursos que facilitam o desenvolvimento de um projeto. Assim, é com base nesses recursos internos, que optamos pela escolha de um ou de outro microcontrolador. Existem uma infinidade de microcontroladores disponíveis no mercado, para se dimensionar um microcontrolador devemos começar pensando no custo e tamanho físico do mesmo.

3 Por exemplo, para um circuito onde se deseja monitorar um teclado e acionar um relé, basta um microcontrolador com saídas digitais, pois possui um custo menor que um microcontrolador com mais recursos internos. Outro exemplo é se a ideia for o controle de potencia de uma lâmpada por PWM e dois botões, um para aumentar e outro para diminuir sua intensidade luminosa, um microcontrolador com apenas três I/O (input/output) será suficiente, pois o PWM poderá ser feito por software. Se quisermos controlar um motor por PWM, monitorar sua velocidade em um display de cristal liquido e ajustar sua velocidade automaticamente, de acordo com a carga aplicada ao seu eixo, será preciso um microcontrolador com mais recursos internos, tais como comparador analógico, PWM interno e I/O s em quantidade maior, para a interligação dos botões de comando e do display.

4 O custo de um microcontrolador também esta relacionado aos tipos de memorias que ele possui internamente: a) Memória flash ou OTP, que armazena as instruções a serem executadas pelo microcontrolador; b) Memória RAM, que armazena as variáveis do sistema; ou c) Memória EEPROM, que guarda informações necessárias ao funcionamento de um microcontrolador, quando ele for desligado.

5 Memória flash: Tipo de EEPROM (programmable read-only memory) ou memória de leitura/escrita programável e apagável eletricamente em que os dados podem ser gravados ou apagados em blocos. Memória OTP (onetime programmable): Memória tipo PROM (programmable read-only memory) ou memoria apenas de leitura programável. Essa memoria é gravada uma única vez. Memória RAM (random access memory) ou memória de acesso aleatório: Permite a leitura e a gravação de dados. Porem, quando a energia elétrica é desligada, esses dados são perdidos.

6 Microcontroladores com menos recursos internos e menos pinos de I/O são menores fisicamente e tem um custo bem menor em relação aos microcontroladores com mais recursos internos e com uma quantidade maior de I/O. Abaixo temos dois microcontroladores com recursos diferentes: PIC10F200, que não possui memória EEPROM, tem quatro pinos de I/O e apenas um timer de 8 bits; e o 16F628A, que possui, dentre muitos outros recursos, 16 pinos de I/O, dois timers de 8 bits e um de 16 bits, um periférico de comunicação USART, dois comparadores e uma EEPROM de 128 bytes.

7 2 Entradas e Saídas Microcontroladores Os microcontroladores possuem terminais que podem funcionar como entrada ou como saída (I/O). Esses terminais são agrupados em conjunto de 8 pinos e designados por Ports. Dependendo do modelo, o microcontrolador pode ter de 4 a mais de 30 terminais de entrada e saída. O microcontrolador 8051 possui 32 terminais de entrada e saída divididos em 4 Ports (P0, P1, P2 e P3). É por meio desses pinos que são enviadas as informações para que o microcontrolador possa processa-las e também enviar informações ou sinais para acionar uma carga ou sinais de controle. As entradas e saídas podem ser do tipo digital e/ou analógica e o nível de tensão aplicado esta diretamente ligado ao nível de tensão de alimentação do microcontrolador.

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9 2.1 Entradas e Saídas Digitais Microcontroladores Os microcontroladores podem apresentar duas configurações diferentes para seus terminais de entrada e saída: configuração em coletor aberto ou configuração TTL. Na configuração em coletor aberto, os microcontroladores podem ter internamente resistores pull-up, que são conectados aos terminais, durante a programação inicial do microcontrolador, simplificando o hardware. Resistor de pull-up: resistor ligado entre o +Vcc e o terminal de saída de um circuito integrado para forçar um nível logico alto a esse terminal.

10 Em A, temos a configuração em coletor aberto. Observe que o dreno do tansistor não está conectado ao positivo da fonte (+Vcc). Desse modo, o pino 38 do microcontrolador não fornece nível logico alto.

11 Em B, o microcontrolador possui internamente um resistor pull-up (R) que pode ser conectado ao coletor do transistor por meio da chave S via programação. E em C, temos a configuração TTL, em que o transistor T1, ao ser ativado, envia nível logico alto a saída (pino 38) e o transistor T2, ao ser ativado, envia nível logico baixo a saída do microcontrolador.

12 Para sabermos o valor de R2, que é o resistor de pull-up, precisamos consultar o Datasheet do microcontrolador, pois ele depende das características de cada microcontrolador.

13 Esquema de ligação de uma tecla a um microcontrolador.

14 Esquema de ligação de uma tecla a um microcontrolador.

15 2.2 Entradas e Saídas Analógicas Microcontroladores Para tratar sinais analógicos, alguns microcontroladores possuem conversores internos. Assim, os terminais de entrada recebem o sinal analógico e o microcontrolador o transforma em uma informação digital para processamento por meio de conversores A/D. no processo oposto, o sinal digital é convertido em sinal analógico pelos conversores D/A e é aplicado a um terminal de saído do microcontrolador.

16 Os conversores internos do microcontrolador apresentam uma característica chamada resolução. A resolução de um conversor é a menor diferença de tensão detectada pela entrada ou fornecida pela saída e pode ser determinada por: Onde: resolução = V ref 2 n V ref é uma tensão de referencia dada ao microcontrolador; n é o numero de bits do conversor. Assim sendo, microcontroladores de 10 bits possuem uma resolução melhor do que microcontroladores de 8 bits.

17 Exercícios 1 Calcule a resolução de um microcontrolador de 8 bits com tensão de referencia de 5 V. 2 Calcule a resolução de um microcontrolador de 10 bits com tensão de referencia de 5 V. 3 Calcule a resolução de um microcontrolador de 10 bits com tensão de referencia de 9 V.

18 Resumindo, em um projeto utilizando esse recurso interno dos microcontroladores, a precisão no processo de conversão A/D do microcontrolador irá depender dos números de bits dos seus conversores. Assim, em uma balança eletrônica digital, por exemplo, um conversor de 10 bits irá apresentar um erro menor em relação a um conversor de 8 bits.

19 3 Circuito Oscilador Microcontroladores A maioria dos microcontroladores possui internamente um circuito oscilador. Assim, é necessário apenas acrescentar alguns componentes externos para que esse oscilador comece a funcionar. Nas aplicações em que a frequência não é um fator importante, por exemplo, no controle de temperatura em uma resistência, podem ser utilizados apenas um resistor e um capacitor, circuito RC, para gerar os pulsos de clock. Já nas aplicações em que precisamos obter uma frequência de trabalho mais precisa, por exemplo, no controle de consumo de combustível em função da velocidade de um carro, devemos usar um cristal ou um ressonador juntamente com dois capacitores ligados ao negativo da fonte de alimentação.

20 Alguns modelos de ressonadores já possuem esses capacitores internamente e, sendo assim, eles contem três terminais, de modo que o terminal central deve ser ligada ao negativo da fonte de alimentação.

21 4 Circuito Power-On-Reset Microcontroladores Para garantir que o contador de programa comece no endereço inicial, ao ligar o microcontrolador, um circuito denominado power-on-reset gera um sinal em nível logico baixo, por alguns milissegundos, forçando o microcontrolador a zerar o contador de programa.

22 5 Interface Homem-Máquina IHM Microcontroladores Para inserirmos um display de cristal liquido, por exemplo, em um projeto eletrônico, devemos escolher a quantidade de linhas e caracteres necessários ao projeto, bem como se o display precisa ter luz de fundo caso fique em locais escuros, o chamado backlight. O display de cristal liquido contem um microcontrolador dedicado. Sendo assim, devemos criar um programa que deverá ser gravado em nosso microcontrolador de modo que este parametrize o display no inicio das execuções de suas instruções.

23 Dentre os parâmetros que devem ser ajustados no display destacamos: a) Limpeza do LCD; b) Deslocamento da mensagem para a direita; c) Quantidade de linhas e tamanho dos caracteres a serem exibidos; d) Modo de comunicação com o microcontrolador.

24 A imagem a seguir mostra um microcontrolador conectado a um display de cristal liquido, usando comunicação a 8 bits. O potenciômetro é para ajustar o contraste do LCD.

25 6.1 Interface de Comunicação Serial A USART (universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmiter), que significa Transmissor/Receptor Universal Sincrono e Assincrono, é um formato padrão para troca de dados entre dois sistemas eletrônicos, em que os bits são transmitidos ou recebidos em serie. Os computadores possuem ua porta de comunicação conhecida como porta serial, que usa o protocolo RS-232. Esse protocolo é definido pela EIA Eletronic Industries Association para a troca de dados entre dois dispositivos, em que os dados são enviados um após o outro, usando tensões que variam entre -3V e -15V, para representar nível alto, e entre +3V e +15V, para representar nível baixo, de acordo com o equipamento. A conexão entre eles se faz por meio de conectores tipo DB9 macho em um dos lados do cabo e DB9 femea do outro lado do cabo, com comprimento máximo de 15 metros.

26 Como o microcontrolador funciona com sinais digitais de 0 V e 5 V, há a necessidade de interfacear o equipamento que gera os sinais no padrão RS- 232 com os níveis digitais TTL do microcontrolador a um PC para a troca de dados entre esses dois equipamentos. Um circuito integrado capaz de fazer o interfaceamento entre o computador e o microcontrolador é o CI MAX232.

27 6.2 Interface de Comunicação PC Microcontroladores A tecnologia PC foi criada pela Philips. A sigla significa Circuito Interintegrado ou inter-integrade Circuit. Ela utiliza apenas duas linhas para comunicação entre os componentes: uma linha de Clock (SCL) e outra linha para entrada e saída de dados (DAS), ambas bidirecionais. Essa tecnologia apresenta a vantagem de possibilitar a ligação de vários dispositivos endereçados, sem que haja conflitos de comunicação entre eles, e, caso um deles venha a falhar, o defeito é facilmente detectado.

28 6.3 Interface de Comunicação USB Microcontroladores Os microcontroladores de ultima geração possuem recursos internos para a comunicação com um computador pela porta USB, em que seja necessária a troca de dados entre o equipamento e um computador. A comunicação USB permite a conexão de dispositivos ao computador de uma forma mais simples para o usuário final do sistema com taxa de transferência bem mais altas em relação a comunicação serial. Porem, para o projetista, além do firmware que desse ser gravado no microcontrolador para que a comunicação com o PC ocorra, existe a necessidade de se desenvolver um software especifico que deve ser instalado no computador, para que o sistema operacional possa reconhecer o equipamento que será conectado ao computador.

29 Referências Bibliográficas TOCCI, Ronald; WIDMER, N. S. "Sistemas Digitais. Princípios e Aplicações". 11ª Edição. Editora Prentice-Hall, PEDRONI Volnei A. "Eletrônica Digital Moderna e VHDL". 1ª Edição. Editora Campus, MORAES, Airton Almeida de. NOVAES, Regina Célia Roland. Análise de Circuitos Elétricos. 2. Ed. SENAI-SP, SENAI SP. Eletrônica Geral Mecatrônica. São Paulo, Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional. Projetos de Sistemas Eletrônicos / SENAI. Departamento Nacional, SENAI. Departamento Regional de São Paulo. Brasília: SENAI/DN, p. il. (Série Eletroeletrônica).

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