Plano de Aula. 1 o semestre. Aula número 011 Periféricos Display LCD, Conversor AD e conversor DA (PWM)

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1 Diretoria de Curso Plano de Aula 1 o semestre Nome do curso Eng. Ciências da Computação + TI + TADS + Eng. Elétrica Nome da Unidade Curricular Microprocessadores e Microcontroladores Aula número 011 Tema Periféricos Display LCD, Conversor AD e conversor DA (PWM) Período Noturno Turma Tópicos Display de cristal líquido Conversor Analógico para Digital Conversor Digital para Analógico Objetivos Conhecer os periféricos citados e seu princípio de operação Habilidades Utilização destes periféricos em aplicações diversas Recomendada Bibliografia Primeiros passos com o Arduíno - Massimo Banzi e Michael Shiloh Documentação oficial do Arduíno

2 Figura 1: Um display de cristal líquido dotado de 16 colunas e 2 linhas. Figura 2: Pinagem padronizada de um display de cristal líquido. (Fonte blogs/tutorial-lcd-com-arduino) 1 Periférico para exibir texto: display de cristal líquido Muitas vezes acender e apagar leds não é suficiente para transmitir informações para o usuário. É necessário exibir informações na forma de texto, números e símbolos e, para isso, podemos utilizar um display de cristal líquido. Trata-se de um periférico que externo que deve ser conectado ao Arduíno. Apesar de ser um componente externo não incluído, a biblioteca padrão do Arduíno, chamada LiquidCrystal.h, permite a utilização de displays compatíveis com o chipset Hitachi HD Um dos mais versáteis e disponível facilmente, esse modelo de display de cristal líquido permite escrever texto, números e alguns símbolos em um padrão de linhas e colunas. Normalmente são encontrados nos seguintes tamanhos: 16 colunas e 1 linha; 16 colunas e 2 linhas (o mais usual); 16 colunas e 4 linhas; 20 colunas e 1 linha; 20 colunas e 2 linhas; 20 colunas e 4 linhas; É fácil identificar um display desse modelo pelo seu conector, dotado de 14 ou 16 pinos (dois pinos adicionais são utilizados para acender a iluminação de fundo nas versões com 16 pinos), como vemos na figura 1. A figura 2 ilustra a pinagem padronizada deste componente 1.1 Ligação Podemos operar esse display utilizando 6, 7, 11 ou 12 pinos do Arduíno, mas em geral apenas seis pinos são o suficiente. As figuras 3 e 4 ilustram a ligação com apenas seis pinos, o resistor ajustável (potênciometro) serve 2

3 Figura 3: Exemplo de montagem do display. (Fonte LiquidCrystalDisplay) Figura 4: Esquema elétrico para ligação do display utilizando seis pinos do Arduíno. Note que podemos utilizar qualquer pino de E/S digital. (Fonte para regular o contraste. 1.2 O código para inicializar a biblioteca Para utilizar a biblioteca, devemos: 1. Incluí-la utilizando a diretiva #include 2. Em seguida, é necessário criar uma instância (é como uma variável) global do tipo LiquidCristal. Podemos atribuir qualquer nome para essa instância e devemos informar os números dos pinos efetivamente conectados ao display, na ordem que corresponde a RS, E, DB4, DB5, DB6 e DB7 no display. Assim, para a ligação do esquema apresentado na figura 4, devemos escrever: 3

4 pois temos: (a) RS conectado ao pino D12 do Arduíno; (b) E conectado ao pino D11 do Arduíno; (c) DB4 conectado ao pino D5 do Arduíno; (d) DB5 conectado ao pino D4 do Arduíno; (e) DB6 conectado ao pino D3 do Arduíno; (f) DB7 conectado ao pino D2 do Arduíno; 3. Por fim, dentro da rotina setup, devemos indicar quantas linhas e quantas colunas o display possui. No caso de um display com 2 linhas e 16 colunas, escrevemos / / código de i n i c i a l i z a ç ã o do o b j e t o L i q u i d C r y s t a l / / p r e s e n t e na i n s t â n c i a meu_display / / 16 l i n h a s e duas c o l u n a s 4. Estamos prontos para utilizar o display de cristal líquido nas demais rotinas do nosso programa. 1.3 O código para escrever no display A biblioteca LiquidCrystal.h oferece diversas rotinas para escrever informações no display. Vamos mostrar algumas delas, para mais detalhes verifique a documentação oficial em LiquidCrystal. clear() : Esta rotina limpa toda a tela e posiciona o cursor na posição correspondente ao primeiro caractére (o mais a esquerda na linha superior); setcursor(int coluna, int linha) : Posiciona o cursor na coluna e linha informados; print(info) : Escreve a informação no display, a partir da posição em que se encontra o cursor. A informação pode ser uma variável do tipo char ou string para representar textos, ou variáveis numéricas do tipo byte, int, long int ou float. Após escrever algo no display, o cursor é reposicionado imediatamente após o último caractére escrito. Além disso, retorna o número de caractéres escritos, mas essa informação pode ser ignorada. O código a seguir inicializa o display e escreve uma mensagem de boas vindas na tela 4

5 / / código de i n i c i a l i z a ç ã o d i v e r s o / /... / / código de i n i c i a l i z a ç ã o do o b j e t o L i q u i d C r y s t a l / / p r e s e n t e na i n s t â n c i a meu_display / / i n f o r m e c o l u n a s, l i n h a s / / p o s i c i o n a o c u r s o r / / l i n h a : 0 é a p r i m e i r a l i n h a / / c o l u n a : 0 é a p r i m e i r a c o l u n a meu_display. s e t C u r s o r ( 0, 0 ) ; / / e s c r e v e o t e x t o Boa N o i t e sem as a s p a s meu_display. p r i n t ( Boa N o i t e ) ; / / p o s i c i o n a o c u r s o r / / l i n h a : 1 é a segunda l i n h a / / c o l u n a : 0 é a p r i m e i r a c o l u n a meu_display. s e t C u r s o r ( 0, 1 ) ; / / e s c r e v e o t e x t o Turma!!! sem as a s p a s meu_display. p r i n t ( Turma!!! ) ; 1.4 Exercícios Vamos considerar uma montagem como a já apresentada. Crie um programa completo no Arduíno UNO, de modo a escrever seu nome no display. Este programa deve inicialmente limpar o display e em seguida, cada letra deve aparecer uma a uma em intervalos de um segundo. meu_display. c l e a r ( ) ; meu_lcd. p r i n t ( C ) ; meu_lcd. p r i n t ( A ) ; meu_lcd. p r i n t ( R ) ; meu_lcd. p r i n t ( L ) ; meu_lcd. p r i n t ( O ) ; meu_lcd. p r i n t ( S ) ; 5

6 1.4.2 Escreva um programa que, a intervalos de um segundo, leia o nível lógico presente no pino digital 0 e escreva no display a mensagem ALTO ou BAIXO conforme o nível lógico lido pinmode ( 0, INPUT ) ; bool n i v e l ; n i v e l = d i g i t a l R e a d ( 0 ) ; meu_display. c l e a r ( ) ; i f ( n i v e l ) { meu_display. p r i n t ( ALTO ) ; e l s e { meu_display. p r i n t ( BAIXO ) ; 2 Periférico conversor Analógico/Digital: leitura de sinais analógicos O Arduíno UNO possui um conversor A/D de 10 bits e seis entradas dedicadas para a leitura de sinais analógicos. Em conjunto com o conversor A/D, cada um dessas seis entradas pode realizar a leitura de tensões no intervalo de 0 até 5 volts. O valor analógico é convertido em um número inteiro proporcional, de 0 até Isso representa uma resolução de = 0, , 005 aproximadamente 5 milivolts. O número inteiro retornado pela leitura é dado pela formula onde: ADC 1023 V in 5 ADC é o valor inteiro lido, entre 0 e 1023 V in é a tensão real presente no pino de leitura Exemplos de sinais analógicos que podemos ler são a posição de um potenciometro (trata-se de um resistor variável tipicamente utilizado para ajustar o volume de um equipamento sonoro), sensores analógicos de temperatura, pressão, entre outros. Usualmente, a conversão de um sinal analógico demora pouco mais que 100 microsegundos e é realizada em um canal de cada vez. Isso significa que se desejamos ler os seis canais, o tempo gasto será pouco maior que 600 microsegundos. 2.1 Código A utilização do periférico conversor analógico/digital não requer componentes externos e nenhuma configuração adicional, a menos de uma chamada à rotina analogread: int analogread(int pino) : A rotina analogread realiza a leitura de um canal de entrada analógica e retorna um inteiro proporcional ao valor lido 6

7 parâmetros : Recebe apenas um parâmetro de entrada, um inteiro de 0 até 5 indicando o canal analógico a ser lido. retorno : Essa função retorna um inteiro entre 0 e 1023, proporcional ao valor lido. 2.2 Exemplo O código a seguir converte os sinais analógicos presentes nos pinos analógicos 0 e 1 a intervalos de 1 segundo i n t c a n a l _ 0 ; i n t c a n a l _ 1 ; c a n a l _ 0 = analogread ( 0 ) ; c a n a l _ 1 = analogread ( 1 ) ; 3 PWM, usando os pinos digitais para simular uma saída analógica O Arduíno UNO não possui um periférico dedicado para realizar a conversão de digital para analógico. Entretanto, é muito comum utilizarmos a técnica de PWM, pulse width modulation ou modulação por largura de pulsos para simular um sinal analógico a partir de um pino digital. Esta técnica consiste em ligar e desligar um pino digital em períodos regulares, controlando a porcentagem deste período em que o pino fica ligado. Se o pino fica ligado 100% do período, então obtemos tensão máxima (5 volts no caso do Arduíno), se fica ligado 0% do período obtemos tensão mínima (0 volts). Para outras porcentagens é possível emular um nível intermediário de tensão, por exemplo, 50% do tempo ligado equivale a uma tensão média de 2,5 volts. A implementação padrão do Arduíno é um PWM de 8 bits, o que significa que podemos escrever valores inteiros desde 0 até 255. A saída utilizada vai apresentar uma tensão média proporcional entre 0 volts e 5 volts, segundo a formula onde: V out representa a tensão média no pino de saída V out 5 P W M 255 P W M representa o valor inteiro a ser convertido, deve estar entre 0 e Código Utilizamos a rotina analogwrite para realizar escritas nos pinos que suportam operação PWM: analogwrite(int pino, int valor) : Recebe dois parâmetros de entrada pino : Um inteiro representando o pino digital a ser utilizado. No Arduíno UNO pode ser configurado para os pinos 3, 5, 6, 9, 10 ou 11. valor : Um inteiro entre 0 e 255, proporcional à tensão média desejada no pino de saída. 3.2 Exemplo O código a seguir gera sucessivas rampas crescentes, aumentando a saída do pwm a cada 10 milisegundos. Como resultado, a tensão média obtida no pino D3 varia continuamente desde 0 até 5 volts, retornando imediatamente a 0 volts para repetir o processo. i n t pwm = 0 ; pwm++; a n a l o g W r i t e ( 3, pwm ) ; d e l a y ( 1 0 ) ; 7

8 4 Exercícios 4.1 Considere a montagem da figura 3, escreva um programa para ler a entrada analógica de número 0 a cada um segundo. O valor real lido deve aparecer no display como uma tensão real, isto é, um valor entre 0,0 e 5,0 volts. Além disso, o pino digital D9 deve produzir um sinal PWM com tensão média equivalente a metade do valor analógico apresentado no display. i n t adc ; / / l ê um v a l o r e n t r e 0 e 1023 adc = analogread ( 0 ) ; / / c o n v e r t e p a r a a t e n s ã o r e a l f l o a t t e n s a o = adc * 5. 0 / ; / / c o n v e r t e p a r a o pwm i n t pwm = t e n s a o / 5. 0 * ; / / e s c r e v e a s a i d a pwm d i g i t a l W r i t e ( 9, pwm ) ; / / e s c r e v e no d i s p l a y meu_display. c l e a r ( ) ; meu_display. p r i n t ( t e n s a o ) ; meu_display. p r i n t ( v o l t s ) ; 8

9 4.2 Considere a montagem da figura 3: Escreva um programa para ler, a cada um segundo, as entradas analógicas de números 0 e 1. A diferença entre os valores lidos deve ser informada no display como uma tensão real, isto é, um valor entre 0,0 e 5,0 volts. Além disso, o pino digital D9 deve produzir um sinal PWM com tensão média equivalente a esta diferença. i n t adc_0 ; i n t adc_1 ; / / l ê um v a l o r e n t r e 0 e 1023 adc_0 = analogread ( 0 ) ; adc_1 = analogread ( 1 ) ; / / c o n v e r t e p a r a a t e n s ã o r e a l f l o a t d i f e r e n c a = ( adc_1 adc_0 ) / * 5. 0 ; / / c o n v e r t e p a r a o pwm i n t pwm = d i f e r e n c a / 5. 0 * ; / / e s c r e v e a s a i d a pwm d i g i t a l W r i t e ( 9, pwm ) ; / / e s c r e v e no d i s p l a y meu_display. c l e a r ( ) ; meu_display. p r i n t ( d i f e r e n c a ) ; meu_display. p r i n t ( v o l t s ) ; 9

10 4.3 Considere a montagem do display como na figura 3. Além disso, os seguintes dispositivos estão conectados aos pinos de Entrada/Saída do Arduíno: pino função descrição Analógico 0 Sensor de nível Montado em um tanque Leitura digital = 0: tanque vazio Leitura digital = 1000: tanque cheio Digital 6 Luz de emergência Aciona um alerta de que algo esta errado Digital 7 Válvula Abre a entrada de líquido Digital 8 Válvula Abre o escoamento ladrão Escreva um programa para controlar o nível do tanque: Ler as entradas e tomar a decisão de controle a cada meio segundo. Manter o nível do tanque em aproximadamente 50% do total do tanque Se o nível ultrapassar 55%, fechar (desligar) a válvula de entrada de líquido Se o nível estiver abaixo de 45%, abrir (ligar) a válvula de entrada de líquido A luz de emergência deve acender se o nível for inferior a 10% ou superior a 90% Se o nível atingir 95%, aciona a válvula de escoamento, ou ladrão. Caso contrário, esta válvula deve se manter desligada. O nível percentual do tanque deve aparecer na primeira linha do display Em qualquer situação de emergência, uma mensagem deve aparecer na segunda linha do display, com uma indicação do tipo de problema 10

11 # d e f i n e p i n o _ s e n s o r _ n i v e l 0 # d e f i n e p i n o _ l u z _ e m e r g e n c i a 6 # d e f i n e p i n o _ v a l v _ e n t r a d a 7 # d e f i n e p i n o _ v a l v _ l a d r a o 8 i n t n i v e l ; n i v e l = analogread ( p i n o _ s e n s o r _ n i v e l ) ; / / l e i t u r a e n t r e 0 e 1000, c o n v e r t e r p a r a porcentagem / / e e x i b i r na p r i m e i r a l i n h a meu_display. c l e a r ( ) ; meu_display. s e t C u r s o r ( 0, 0 ) ; / / não p r e c i s a, c l e a r j a f a z i s s o meu_display. p r i n t ( n i v e l / ) ; meu_display. p r i n t ( % ) ; i f ( n i v e l >=550){ d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ v a l v u l a _ e n t r a d a, LOW) ; i f ( n i v e l <=450){ d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ v a l v u l a _ e n t r a d a, HIGH ) ; meu_display. s e t C u r s o r ( 0, 1 ) ; i f ( n i v e l >900 n i v e l <100){ d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ l u z _ e m e r g e n c i a, HIGH ) ; i f ( n i v e l >900){ meu_display. p r i n t ( ALTO ) ; i f ( n i v e l <100){ meu_display. p r i n t ( BAIXO ) ; i f ( n i v e l >950){ d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ v a l v u l a _ l a d r a o, HIGH ) ; meu_display. p r i n t ( : LADRAO ) ; e l s e { d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ v a l v u l a _ l a d r a o, LOW) ; e l s e { d i g i t a l W r i t e ( p i n o _ l u z _ e m e r g e n c i a, LOW) ; d e l a y ( ) ; 11