Scaling Up Inclusion: Robotics, a STEM focused Project. Centro de Formação de Associação de Escolas Paços de Ferreira, Paredes e Penafiel

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1 Scaling Up Inclusion: Robotics, a STEM focused Project Centro de Formação de Associação de Escolas Paços de Ferreira, Paredes e Penafiel Alberto Brochado, Eugénio Oliveira, Fernando Coelho

2 STEM com Robótica 08 Modulação Sinal PWM Pulse Width Modulation (Modulação por Largura de Pulso) O Arduino UNO possui 6 (seis) portas PWM: 3, 5, 6, 9, 10 e 11. O sinal PWM pode variar de 0 a 255 e para ativá lo basta usar a seguinte instrução numa porta PWM: analogwrite (pin, sinal_pwm); Nota: as portas PWM são todas digitais, porém o sinal é modulado como se fosse um sinal analógico.

3 08 Conceito de PWM Pulse With Modulation (Modulação por largura de pulso) As grandezas digitais são aquelas que podem ser definidas por meio de saltos entre valores bem definidos dentro de uma faixa de valores. Um exemplo de elementos que trabalham com estas grandezas são os relógios digitais, de modo que, nestes, apesar do tempo em si variar continuamente, o visor dos mesmos mostra o tempo em saltos de um em um segundo. Em contrapartida, as grandezas analógicas são aquelas que, ao contrário das grandezas digitais, podem assumir infinitos valores de amplitude dentro de uma faixa de valores. O velocímetro de um carro, por exemplo, pode ser considerado analógico, pois o ponteiro gira continuamente conforme o automóvel acelera ou trava.

4 08 Conceito de PWM Pulse With Modulation (Modulação por largura de pulso) Características de uma entrada analógica Os conversores analógico digital do Arduino UNO possuem uma resolução de 10 bits e o intervalo de tensão no qual são realizadas as discretizações (degraus da escada) é de 0 a 5V, ou seja, este intervalo será dividido em 1024 pedaços (2 10, onde 10 é a resolução do conversor ), de forma que, o valor atribuído à tensão existente num determinado pino será o valor discreto (um dos 1024 valores) mais próximo da mesma. PWM Simulando saídas analógicas Além de possuir portas para realizar a leitura de variáveis analógicas, o Arduino UNO conta também com pinos que podem ser usados para simularem saídas analógicas através da técnica PWM, que se define então como uma técnica para obter resultados analógicos em meios digitais. Este recurso consiste na geração de uma onda quadrada, na qual, controla se a percentagem de tempo em que a onda permanece num nível lógico alto (5v). Esta percentagem é denominada Duty Cycle e sua alteração provoca mudança no valor médio da onda, indo desde 0V (0% de Duty Cycle)até5V(100% de Duty Cycle).

5 08 Conceito de PWM Pulse With Modulation (Modulação por largura de pulso) Ciclo de Trabalho Duty Cycle O sinal PWM possui um ciclo de trabalho que determina com que frequência o sinal muda do nível lógico HIGH para o nível lógico LOW e vice versa. No Arduino a frequência do PWM pode ser definida entre 32Hz até 62kHz. Duty cicle = (100 %* largura do pulso) / período

6 08 Conceito de PWM Pulse With Modulation (Modulação por largura de pulso) Assim, o Duty Cycle corresponde a um número inteiro, que é armazenado num registrador 8 bits (arduino UNO). O seu valor irá de 0(0%)até 255 (100%). Utilizaremos então a função map(sensorvalue, 0, 1023, 0, 255) // lê o valor analógico de entrada A0: sensorvalue = analogread(0); // mapeia o valor de entrada para a gama de valores de saída: outputvalue = map(sensorvalue, 0, 1023, 0, 255); // altera o valor analógico de saída Pin9: analogwrite(9, outputvalue);

7 09 Atuadores Relacionar o arduino com o mundo exterior São dispositivos que fazem com que aconteça algo no mundo real. (outputs) Classificação: Visuais: LED, LCD, Monitor; Auditivos: buzzer, speaker; Movimento: motores, válvula, servo; Táteis: Aquecimento e arrefecimento; Atuadores analógicos: motores cc (DC); Led controlado por voltagem Nota: O Arduino não consegue gerar saídas analógicas

8 09 Atuadores de movimento Servo, motores de passo e corrente continua Uma das formas dos robôs e sistemas automatizados interagirem com o meio ambiente é através de movimentos físicos. Para esta tarefa encontramos com frequência motores elétricos. Existem diversas forma de classificar motores elétricos, uma delas é quanto ao tipo de corrente: continua ou alternada. MOTOR CORRENTE CONTÍNUA SERVO MOTOR PASO A PASO (28BYJ 48)

9 STEM com Robótica 10 Shields Expandir o arduino As extensões das placas do Arduino são chamadas de shields. Existem shields para as mais diversas funcionalidades, por exemplo: Comunicação ethernet; Comunicação wifi; Comunicação bluethooth; Ponte H; Banco de relês... Lista official: playground.arduino.cc/main/similarboards#goshie

10 10 Shields Expandir o arduino Para controlar a quantidade de motores e o sentido de rotação, utilizaremos elementos denominados por SHIELD / PONTE H Shield L293D Driver Ponte H Módulo Ponte H com o CI L298N Módulo Driver ULN2003

11 10 Shields Expandir o arduino Como funciona a Ponte H? Porquê este nome? As pontes H possuem este nome devido ao formato em que é montado o circuito, semelhante a letra H. O circuito utiliza quarto chaves (S1, S2, S3 e S4) que são acionadas de forma alternada, ou seja, (S1 S3) ou (S2 S4). Dependendo da configuração entre as chaves teremos a corrente percorrendo o motor hora por um sentido, hora por outro. Conceito de Ponte H

12 Exercícios Práticos Centro de Formação de Associação de Escolas Paços de Ferreira, Paredes e Penafiel Alberto Brochado, Eugénio Oliveira, Fernando Coelho

13 1º Exercício Utilizando um sensor de temperatura/humidade DHT11, para simular uma estação meteorológica e mostrar os resultados no monitor serial. Resistência 10K pullup Signal Vcc (+) Ground ( ) VCC(+) Signal Não utilizado Ground ( ) Biblioteca: dht.h Funções existentes: DHT.humidity e DHT.temperature Sensores DHTxx (xx = ) Estes sensores possuem geralmente, s pinos, GND, +5V e uma única linha de dados. Usa a libraria dht.h, que possui 6 funções básicamente idênticas: read(pin), read11(pin), readxx(pin) Utilização: DHT.read11(DHT11_PIN); ou DHT.read11(5); Esta função devolve: DHTLIB_OK (0) : se o sensor e o checksum está OK. DHTLIB_ERROR_CHECKSUM ( 1) : se o checksum test falhou. DHTLIB_ERROR_TIMEOUT ( 2) : se ocorreu um timeout, communicação falhou. Centro de Formação de Associação de Escolas Paços de Ferreira, Paredes e Penafiel

14 1º Exercício #include <dht.h> dht DHT; #define DHT11_PIN 5 void setup() { Serial.begin(115200); Serial.println("DHT PROGRAMA TESTE ); Serial.print( Formação STEM com Robótica ); Serial.println(); Serial.println("Tipo,\tstatus,\tHumidade (%),\ttemperatura (C)"); void loop() { // Leitura de dados Serial.print("DHT11, \t"); int chk = DHT.read11(DHT11_PIN); switch (chk) { case DHTLIB_OK: Serial.print("OK,\t"); break; Utilizando um sensor de temperatura/humidade DHT11, para simular uma estação meteorológica e mostrar os resultados no monitor serial. case DHTLIB_ERROR_CHECKSUM: Serial.print("Checksum error,\t"); break; case DHTLIB_ERROR_TIMEOUT: Serial.print("Time out error,\t"); break; case DHTLIB_ERROR_CONNECT: Serial.print("Connect error,\t"); break; default: Serial.print("Unknown error,\t"); break; // Visualizar dados Serial.print(DHT.humidity, 1); Serial.print(",\t"); Serial.println(DHT.temperature, 1); delay(2000);

15 2º Exercício Utilizando um potenciômetro para controlar o brilho de um LED efeito fade in / fade out e mostrar os resultados no monitor serial const int analoginpin = A0; // pin análógico entrada const int analogoutpin = 9; // pin analógico de saída int sensorvalue = 0; // valor lido pelo sensor int outputvalue = 0; // valor enviado para a saída analógica void setup() { Serial.begin(9600); // inicializar comunicações em 9600 bps 3 pinos: Sinal VCC GND Utilizar o programa existente nos exemplos, denominado: analoginoutserial Vai permitir ler dados analógicos numa porta analógica (A1) compreendidos entre 0 e 1023 e converter para uma gama de 0 até 255, utilizando a função map() void loop() { sensorvalue = analogread(analoginpin); // ler valor analógico outputvalue = map(sensorvalue, 0, 1023, 0, 255); analogwrite(analogoutpin, outputvalue); // alterar o valor de saída Serial.print("sensor = "); // mostra os valores no Serial Monitor Serial.print(sensorValue); Serial.print("\t output = "); Serial.println(outputValue); // aguarda 2 millisegundos antes do próximo ciclo analógico digital delay(2);

16 2º Exercício Mudando a intensidade de um Led de alto brilho recorrendo a um sinal PWM const int led_alto_brilho = 3; void setup() { pinmode(led_alto_brilho, OUTPUT); Serial.begin(9600); void loop() { int i; for (i = 10; i <= 255; i+=10) { analogwrite(led_alto_brilho, i); // Aumenta a intensidade do brilho Serial.println(i); delay(300); for (i = 255; i >= 5; i =10) { analogwrite(led_alto_brilho, i); // Diminui a intensidade do brilho Serial.println(i); delay(300); delay(3000);

17 2.1 Exercício opcional Utilizando um sensor de nível de água, simular um alarme de deteção de inundações e mostrar os resultados no monitor serial. const int analoginpin = A0; // Analog input pin const int analogoutpin = 9; // Analog output pin int sensorvalue = 0; // value read from the sensor int outputvalue = 0; // value output to the analog output void setup() { Serial.begin(9600); // initialize serial communications at 9600 bps 3 pinos: Sinal VCC GND Utilizar o programa existente nos exemplos, denominado: analoginoutserial Vai permitir ler dados analógicos numa porta analógica (A1) compreendidos entre 0 e 1023 e converter para uma gama de 0 até 255, utilizando a função map() void loop() { sensorvalue = analogread(analoginpin); // read the analog in value outputvalue = map(sensorvalue, 0, 1023, 0, 255); // map it to the range of the analog out: analogwrite(analogoutpin, outputvalue); // change the analog out value Serial.print("sensor = "); // print the results to the Serial Monitor Serial.print(sensorValue); Serial.print("\t output = "); Serial.println(outputValue); // wait 2 milliseconds before the next loop for the analog to digital delay(2);

18 3º Exercício Utilizando um sensor de nível de água, simular um alarme de deteção de inundações e mostrar os resultados no monitor serial. Funções do Buzzer ou Piezo buzzer tone(pin, Frequência, Duração) notone(pin) void setup() { pinmode(12,output); void loop() { tone(12,261); delay(500); tone(12,277); delay(500); tone(12,294); delay(500); tone(12,311); delay(500); tone(12,330); delay(500); tone(12,349); delay(500); tone(12,370); delay(500); tone(12,392); delay(500); tone(12,415); delay(500); tone(12,440); delay(500);

19 4º Exercício Controlando um motor servo SG90 9G. um servomotor é um motor na qual podemos controlar sua posição angular através de um sinal PWM #include <Servo.h> int servopin = 9; Servo servo; int servoangle = 0; // servo position in degrees Biblioteca: Servo Alimentação positiva (vermelho) 5V; Terra (Preto ou Marrom) GND; (Amarelo, Laranja ou Branco) Pino digital de entrada e saída; void setup(){ Serial.begin(9600); servo.attach(servopin); void loop(){ //control the servo's direction and the position of the motor servo.write(45); // Turn SG90 servo Left to 45 degrees delay(1000); // Wait 1 second servo.write(90); // Turn SG90 servo back to 90 degrees (center position) delay(1000); // Wait 1 second servo.write(135); // Turn SG90 servo Right to 135 degrees delay(1000); // Wait 1 second servo.write(90); // Turn SG90 servo back to 90 degrees (center position) delay(1000);

20 5º Exercício Utilizando um driver de motor ULD2003 para controlar um motor de passo. #include <Stepper.h> #define STEPS 2038 // o número de passos numa volta (revolution) //do nosso motor (28BYJ 48) Stepper stepper(steps, 8, 10, 9, 11); Arduino UNO ULN2003 Stepper Motor Driver Board 12V 28BYJ 48 Stepper Motor void setup() { // nada void loop() { stepper.setspeed(1); // 1 rpm stepper.step(2038); // faz 2038 passos corresponde 1 min. delay(1000); // espera 1s stepper.setspeed(6); // 6 rpm stepper.step( 2038); // faz 2038 passos (faster speed) 10 s

21 6º Exercício Utilizando um driver de motor SHIELD L293D, controlar o motor de corrente contínua. //motor_a int IN1 = 2 ; int IN2 = 3 ; //Inicializa Pinos void setup(){ pinmode(in1,output); pinmode(in2,output); void loop(){ /*Inicio dos Estados do motor A*/ //Sentido 1 digitalwrite(in1,low); digitalwrite(in2,high); delay(5000); //Trava_Motor_A digitalwrite(in1,high); digitalwrite(in2,high); delay(5000); //Sentido 2 digitalwrite(in1,high); digitalwrite(in2,low); delay(5000); //Trava_Motor_A digitalwrite(in1,high); digitalwrite(in2,high); delay(5000); /*Fim dos Estados do motor A*/