Sistemas Microcontrolados

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1 Ciência da Computação Sistemas Microcontrolados Eletrônica Básica Prof. Sergio F. Ribeiro Sistemas de Numeração Os sistemas de numeração foram criados pelo homem com o objetivo de quantificar as grandezas relacionadas às suas observações. Um sistema de numeração é determinado fundamentalmente pela base, que indica a quantidade de símbolos e o valor de cada símbolo. decimal (base 10): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 binário (base 2): 0, 1 octal (base 8): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 hexadecimal (base 16): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F 2

2 Sistemas de Numeração O sistema de numeração binárioé o mais importante em sistemas digitais. Como usa apenas os símbolos 0e 1, é mais fácil de ser representado por circuitos eletrônicos (presença ou não de tensão, chave aberta ou fechada, etc). Os símbolos binários são denominados de bit (binarydigit). O conjunto de 8 bitsé denominado de byte (binaryterm). Um conjunto de 4 bits é chamado nibble. Para a representação de números binários grandes utilizamos os sistemas de numeração octal e hexadecimal. 3 Sistemas de Numeração Sistema Hexadecimal Do hexa = 6 e deci= 10, sistema numérico de base 16. Este sistema possui 16 símbolos distintos em sua contagem. Além dos 10 dígitos (0 a 9), utiliza as letras A, B, C, D, E e F que fazem o papel das grandezas 10,11,12,13,14,15. O sistema Hexadecimal é um sistema muito utilizado em computadores. 4

3 Sistemas de Numeração Decimal Hexadecimal Binário A B C D E F Sistemas de Numeração Conversão Decimal Binário A conversão pode ser realizada através de divisões sucessivas pelo número decimal 2, e a escrita, de modo inverso, dos restos de cada divisão até que um quociente 0 seja obtido. EXEMPLO: converter para binário. 6

4 Sistemas de Numeração Conversão Binário Decimal A conversão é obtida por meio de um somatório de produtos, como mostrado abaixo. 7 Sistemas de Numeração Conversão Hexadecimal Binário É um processo de conversão muito simples, sem a necessidade de cálculos. Basta converter cada dígito hexadecimal em seu binário equivalente e, então, concatenar. Ex: = [0100][0111][0010] = Obs:para representar um número hexadecimal na linguagem C, basta preceder o número hexa de 0x. Ex: 0x472, 0x3A8E 8

5 Sistemas de Numeração Conversão Binário Hexadecimal Basta agrupar os bits da direita para a esquerda de quatro em quatro bits e apresentar o dígito hexadecimal para cada grupo de 4 bits. Ex: = [0010][1011][0011] = 2B3 16 Obs: para representar um número binário na linguagem C, basta preceder o número binário de 0b. Ex: 0b Eletrônica Básica Vamos agora conhecer alguns componentes eletrônicos básicos e suas funcionalidades. resistores capacitores diodos bateria, etc. Antes precisamos verificar alguns conceitos básicos sobre grandezas elétricas: tensão corrente resistência potência, etc. 10

6 Grandezas Físicas Grandeza pode ser definido como tudo aquilo que pode ser atribuído a uma certa quantidade, e dessa forma tornar-se mensurável. São exemplos de grandezas: velocidade aceleração pressão calor, etc. E todas essas grandezas podem ser medidas e associadas a alguma unidade de medida. velocidade m/s aceleração m/s 2 pressão milímetros de mercúrio: mmhg 11 Grandezas Elétricas Tensão elétrica É a diferença de potencial elétrico entre dois pólos distintos. No S.I. (Sistema Internacional) a tensão elétrica, cujo símbolo é a letra U, é medido em volts (V), em homenagem ao físico italiano Alessandro Volta. Referencial comum: terra, chassis, ground. tensão do referencial: 0V símbolos: 12

7 Grandezas Elétricas Tensão elétrica Tensão alternada: é aquela que varia no tempo. Descreve uma função matemática. Ex: tensão senoidal. uma tensão alternada oscila em uma determinada frequência. recebemos em nossas casas uma tensão alternada de 110V ou 220V e com uma frequência de 60Hz. Tensão contínua: é uma tensão constante, ou seja, seu valor não varia ao longo do tempo (não há frequência). 13 Grandezas Elétricas Corrente elétrica É o fluxo ordenado de elétrons por um meio condutor. Quando um material condutor for submetido a uma diferença de potencial, os elétrons fluirão do ponto de maior concentração de elétrons para o ponto de menor concentração de forma ordenada. Tal deslocamento de elétrons é chamado de fluxo ou corrente elétrica. Podemos considerar o fluxo convencional ou o fluxo eletrônico. unidade de medida: ampére (A) 14

8 Grandezas Elétricas Resistência elétrica: Característica de um corpo de se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma d.d.p. aplicada. Todo circuito elétrico possui uma resistência elétrica qualquer que dificulta a passagem de corrente. A unidade de medida é o Ohm (Ω), em homenagem ao físico alemão Georg Simon Ohm. Lei de Ohm (lei fundamental da eletrônica): num circuito elétrico fechado, a intensidade de corrente elétrica é diretamente proporcional à tensão elétrica aplicada ao circuito e inversamente proporcional à resistência do mesmo. I = V / R 15 Grandezas Elétricas Resistência elétrica: Exemplo: Em um circuito elétrico, cuja resistência equivale a 180Ω, aplicou-se uma tensão de 12Vcc. Qual a corrente que flui pelo mesmo? V = 12Vcc R = 180Ω I = V / R I = 12 / 180 I = 0,066A I = 66mA 16

9 Grandezas Elétricas Potência elétrica É a energia consumida ou liberada em um determinado intervalo de tempo. A potência elétrica, cujo símbolo é a letra P, é medida em Watt (W), em homenagem ao engenheiro escocês James Watt. Em um circuito fechado, quando há uma tensão aplicada e uma corrente circulante, a potência gasta no circuito será diretamente proporcional ao produto da tensão pela corrente no circuito. P = V I 17 Grandezas Elétricas Analogia Elétrica-Hidráulica Elétrico Tensão Corrente Resistência Hidráulico Pressão Vazão Atrito 18

10 Bateria Componentes Eletrônicos Fonte de tensão onde a d.d.p. é geralmente produzida por reação química. Baterias são pilhas de placas metálicas inventadas pelo físico italiano Alessandro Volta. As baterias possuem dois terminais: um positivo e um negativo. 19 Bateria Componentes Eletrônicos Toda bateria tem uma tensão específica. pilhas 1,5 volts baterias 9 volts Um circuito pode ser desligado por meio de chaves, desconectando a bateria do circuito (circuito aberto). Uma situação anormal é o chamado curto-circuito, onde um fio liga diretamente os dois terminais da bateria. isto faz a corrente atingir um valor altíssimo, gerando muito aquecimento. Temos também baterias recarregáveis presentes em celulares e outros aparelhos. 20

11 Componentes Eletrônicos Resistor Um dos componentes mais versáteis e usados em eletrônica. Tem por finalidade oferecer uma resistência à passagem da corrente elétrica pelo circuito. Dissipa energia em forma de calor. Valor da resistência e tolerância: indicado no corpo do componente normalmente por faixa de cores. Potência do componente: indicado pelo tamanho (1W, 1/4W, 1/8W, etc.) Simbologia: 21 Componentes Eletrônicos Resistor Qual a sequência de cores para um resistor de 10kΩ? Qual o valor de um resistor que possuir a sequência de cores: vermelho, vermelho, vermelho? 22

12 Componentes Eletrônicos Resistor Temos também os chamados resistores variáveis. Um exemplo são os potenciômetros ou os trim-pots. Potenciômetros são resistores capazes de variar suas resistências dentro de uma faixa de valores determinada através do deslocamento manual de uma haste. 23 Componentes Eletrônicos Resistor Temos também um tipo específico de resistor variável, chamado LDR (Light Dependent Resistor). É um resistor que tem sua resistência elétrica alterada conforme a intensidade da incidência da luz sobre ele. Na medida em que mais luz incide no LDR, sua resistência diminui. E quanto menos luz incide no LDR, maior é sua resistência. 24

13 Componentes Eletrônicos Capacitor O capacitor é um componente eletrônico capaz de armazenar e fornecer cargas elétricas. Ele é formado por duas placas paralelas, separadas por um material isolante chamado dielétrico. Quando ligado a uma tensão fixa, o capacitor é percorrido por uma pequena corrente até que suas placas paralelas fiquem carregadas. Uma fica com cargas negativas (elétrons) e outra com cargas positivas (falta de elétrons). Simbologia: 25 Componentes Eletrônicos Capacitor O valor de um capacitor é chamado capacitância. A grandeza usada para medi-la é o Faraday (F). O Faraday é uma medida muito grande para capacitores. Para medir capacitores é mais comum usar o microfaraday (µf), ou o nanofaraday(nf), ou o picofaraday(pf). Os capacitores têm várias aplicações nos circuitos. Uma das principais é a filtragem, barrando as frequências baixas e deixando passar as frequências altas. Também podem ser usados como capacitores de desacoplamento, ligados entre o Vcc e o terra (elimina ruídos elétricos). 26

14 Componentes Eletrônicos Diodo O diodo é um componente classificado como semicondutor, permitindo que a corrente elétrica o atravesse em apenas um sentido. O diodo possui dois terminais: o ânodo (+) e o cátodo (-). A corrente elétrica trafega livremente no sentido do ânodo para o cátodo, mas não pode trafegar no sentido inverso. 27 Componentes Eletrônicos Diodo Quando polarizados diretamente, os diodos permitem a circulação de corrente elétrica por ele. E quando polarizado inversamente, a corrente não consegue atravessar o diodo. 28

15 Componentes Eletrônicos LED LED Light Emitting Diode(Diodo Emissor de Luz). LED é um tipo especial de diodo que tem a capacidade de emitir luz ao ser atravessado por uma corrente elétrica. Como todo diodo, o LED permite a passagem de corrente (acende) no sentido direto (ânodo para o cátodo). No sentido inverso, a corrente não flui e não há luz. Existem LEDsque emitem luz vermelha, verde, amarela, azul e branca. Existem LEDsque emitem luz infravermelha usados em sistemas de alarme. 29 LED Componentes Eletrônicos Existem ainda os LEDsque emitem luz vermelha ou verde (bicolores), dependendo do sentido da corrente. E ainda existem os LEDsRGB que emitem luz vermelha, verde ou azul, dependendo de quais terminais são excitados. 30

16 Componentes Eletrônicos Transistor Este é sem dúvida o mais importante componente eletrônico já criado. Ele deu origem aos chips que temos hoje nos computadores. Um processador possui centenas de milhões de microscópicos transistores. Inventado no Bell Labnos anos 40, o transistor é um substituto das válvulas eletrônicas com as vantagens: tamanho minúsculo baixo consumo de energia pouco aquecimento mais eficiente maior confiabilidade 31 Componentes Eletrônicos Transistor Existem vários tipos de transistores pra diversos fins. Quanto ao sentido da corrente, os transistores são classificados como NPN ou PNP. 32

17 Componentes Eletrônicos Transistor Existem fototransistoresque amplificam o sinal gerado pelo seu sensor ótico. Os transistores realizam uma série de funções: chave eletrônica amplificador de tensão amplificador de corrente Ex: o sinal elétrico gerado por um microfone é tão fraco que não consegue excitar um altofalante. Usa-se um transistor para elevar a tensão do sinal sonoro, e um transistor como amplificador de corrente. 33 Instrumento de Medição Multímetro Aparelho para medir grandezas elétricas. medem tensão, corrente, resistência. alguns possuem opção de teste de diodos e transistores. Modelo analógico. possui mostrador analógico (de ponteiro). Modelo digital. possui mostrador digital (números). Para medir tensão e resistência, o multímetro é colocado em paralelo ao componente. Para medir corrente, o multímetro é colocado em série ao circuito. 34

18 Instrumento de Medição Multímetro analógico 35 Instrumento de Medição Multímetro digital 36

19 Protoboard(Matriz de Contatos) Protoboardé uma placa com furos e conexões condutoras para montagem de circuitos elétricos experimentais. Vantagem facilidade de inserção de componentes, uma vez que não necessita de soldagem. As placas variam de 800 furos até furos, tendo conexões horizontais e verticais. 37 Datasheet Datasheet significa folha de dados. É o termo técnico usado para identificar um documento relativo a um determinado produto. Contém especificações técnicas como: pinagem, encapsulamento, temperatura de funcionamento, tensões máximas, tensões mínimas, correntes máximas, correntes mínimas, instruções de funcionamento, características físicas, esquemático de exemplo, etc. Exemplos: CD4067 (multiplex), HCT4094 (shift register), PIC18F4550 (microcontrolador). Deve-se sempre consultar o datasheetdo componente eletrônico que se usar no circuito. 38

20 Ativação de Dispositivos Há duas maneiras diferentes de se ativar um dispositivo: Alto ativo o dispositivo é acionado ao receber nível alto. Baixo ativo o dispositivo é acionado ao receber nível baixo. Alto ativo Baixo ativo 39 Ativação de Dispositivos Ao projetar um circuito, você define se quer que um componente eletrônico qualquer seja ativado no modo alto ativo ou no modo baixo ativo. Alto ativo Baixo ativo 40

21 PullUpe PullDown Técnica largamente utilizada em circuitos eletrônicos para evitar a flutuação e garantir o estado de uma porta usada como entrada digital em nível lógico 0 ou em nível lógico 1. Caso não se use o resistor de pull upou pull downem pinos de entrada digital, o mesmo pode variar (flutuar) em nível alto ou baixo quando a chave estiver em aberto. resistor de pull up resistor de pull down 41