CURSO DE INTRODUÇÃO AO ARDUINO

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1 CURSO DE INTRODUÇÃO AO ARDUINO Autor: Vinícius Neves de Figueiredo Estudante de Engenharia Elétrica - UFF Curso de Introdução ao Arduino 1

2 PARTE 1 INTRUDUÇÃO Curso de Introdução ao Arduino 2

3 O QUE É ARDUINO? O arduino é um Microcontrolador em que é possível ser reprogramado, no mundo da computação e da eletrônica isso é chamado de open source. Com ele, você será capaz de controlar inúmeros dispositivos e componentes de circuitos elétricos, por exemplo, LEDs, motores, chaves, a luz de uma casa, sensores, temperatura, a potencia de um determinado equipamento, um robô, e muito mais. O arduino O Arduino UNO é um microcontrolador em que possui 13 entradas do tipo digital 5 do tipo analógica, sendo que 6 das digitais possuem o recurso de PWM, que conta também com 2 pinos de comunicação RX/TX, e mais saídas de 3,3V e 5V, e alguns outros recursos que serão comentados durante o curso. Portas digitais Pinos de comunicação RX/TX Portas Analógicas Logo neste início foram falados muitos conceitos que são comuns dentro do mundo da eletrônica, vamos começar definindo-os. Curso de Introdução ao Arduino 3

4 Entradas e saídas analógicas e digitais A porta digital tem o seu funcionamento de acordo com os princípios boolianos, ou seja, possui apenas dois estados: Verdadeiro ou Falso, certo ou errado, 0 ou 1, High ou Low. No caso do arduino, ser High ou Low quer dizer que está passando corrente elétrica por aquela porta ou não. No gráfico acima em t ϵ [0,2] não existe corrente elétrica, logo o estado é igual a LOW, enquanto que em t ϵ [2,4] está passando uma corrente de 1A. OBS.: A portas digitais do arduino suportam até 40mA A porta analógica é capaz de receber e fornecer tensões distintas de HIGH ou LOW. Ela tem a resolução de 10 bits (0 até 1023) para medir uma tensão de 0 até 5V, utilizando uma simples regra de três para isso. Por exemplo, se temos uma tensão de 3,5V: Temos que número 716., como ele só lê valor positivo, então o arduino irá te fornecer o A seguir, um exemplo de um sinal analógico Curso de Introdução ao Arduino 4

5 PWM (Pulse Width Modulation) Este é um conceito muito famoso dentro do ramo da engenharia, ele é utilizado para controlar a potência de determinado dispositivo, no arduino está localizado junto às portas digitais que possuem o símbolo. Com ele podemos controlar o que é chamamos de Duty Cycle, que é uma porcentagem da potência total que poderia ser entregue ao dispositivo. Exemplo de Duty Cycle: Porta de Rx / Tx (receiving / transmiting) Essas são as portas de comunicação do Arduino, elas são necessárias para adaptar uma comunicação bluetooth, wireless, rádio, dentre outros tipos... A Protoboard (breadboard) A protoboard é um ambiente de prototipagem que faz com que seja fácil a montagem e a desmontagem de circuitos elétricos, não precisando assim de soldas, junções e gambiarras no circuito. Trata-se de uma placa cheia de pequenos buracos de espaçamento e tamanho padronizados, em que praticamente todo componente eletrônico é compatível com a mesma. Esses pequenos orifícios estão conectados como será mostrado no esquema a seguir. Curso de Introdução ao Arduino 5

6 Será preciso um pouco de prática até que você possa criar os circuitos precisar pensar se está conectando o circuito em paralelo ou em série. É de boa prática energizar as trilhas da periferia do protoboard com a tensão que será utilizada no projeto. LED (Light Emitter Diode) O led é um dispositivo que permite a passagem de corrente elétrica em apenas um sentido do catodo para o anodo, o LED de 5mm simples precisa de apenas 4mA para e 1,90V para ser ligado, com isso podemos ligar vários LEDs em paralelo utilizando a saída digital (max 40mA), porém só conseguimos ligar 2 LEDs em série! Curso de Introdução ao Arduino 6

7 Hello World (Eletrônica) Agora que aprendemos os conceitos iniciais, podemos começar a fazer as nossas experiências e assim aplicar todo o conhecimento que ganhamos até aqui. Iremos começar com um simples exemplo bem simples, iremos ligar um LED utilizando um botão. O botão funciona de maneira muito simples, ele é na verdade uma chave que está sempre aberta até que alguém o aperte. Quando isso acontece, ele vai deixar fluir corrente por todas as suas quatro pernas permitindo, por exemplo, controlar se vai passar corrente em um local ou não! O mesmo é utilizado em uma infinidade de eletrodomésticos e eletrônicos, a única diferença é que a empresa coloca uma capa neste botão para poder deixa-lo mais amigável. Montagem do circuito para acender o LED: Exercícios Propostos 1. Ligue dois LEDs em série. 2. Ligue 4 LEDs em paralelo. 3. Porque não é possível ligar 3 LEDs em série? 4. Quantos LEDs são possíveis ligar em paralelo? (quantidade teórica) Curso de Introdução ao Arduino 7

8 Programação Neste momento vocês já conseguem ligar um LED apertando um botão, mas seria mais interessante ligar o LED a partir de um sensor mesmo quando nós bem entendermos, concordam? Para isso precisamos da ajuda da programação. A Programação que o Arduino utiliza é uma espécie de programação clássica bem diferente da utilizada no NXT, é composto apenas linhas de código, essas são baseados em uma linguagem chamada C++, que nasceu na década de 80 e que até hoje é uma das linguagens mais faladas no mundo da computação, pelos seguintes motivos: Rápida; Fácil Uso; Portável (aceito em Linux, Windows, Mac e outras plataformas); Aceita em chips e microcontroladores (Esse é o nosso caso!); TIPO DE DADOS Vamos Começar Falando sobre os tipos de dados, que nada mais são que as variáveis ou onde você vai poder armazenar seus dados. Neste curso trataremos apenas de 4 tipos de dados: um para tratar de números inteiros, dois para tratar de números não inteiros e um para caracteres. Curso de Introdução ao Arduino 8

9 TIPO INT Para armazenar valores inteiros utilizamos o tipo int, com ele conseguimos armazenar números entre até , ou seja, de até. Existem várias maneiras de iniciar uma variável, a seguir serão expostos alguns exemplos: TIPO DOUBLE / FLOAT O double e o float utilizados para armazenar números não inteiros, no caso do arduino os dois tipos significam exatamente a mesma coisa, na verdade, o hardware do arduino permite existir apenas o tipo Float, porém muitos programadores tem o habito de utilizar o tipo double quando programam em JAVA, C, C# entre outras linguagens pois com ele é possível armazenar um número com o dobro de precisão que o float a custo de um maior consumo da memória RAM do computador, então para satisfazer esse público o Arduino colocou o tipo double em sua sintaxe. Exemplo de utilização: TIPO CHAR O tipo char é utilizado para armazenar um caractere, com ele podemos armazenar símbolos do teclado segundo a tabela ASCII. Curso de Introdução ao Arduino 9

10 Reparem que esta tabela correlaciona números inteiros, binários e hexadecimais com letras, o que quer dizer que o computador não entende o que é uma letra, ele na verdade consegue ler um binário ou um hexadecimal e traduz isso para uma letra, de maneira que possamos ler. Além disso, é possível inicializar letras como números, utilizando essa tabela: Segundo essa tabela, as duas linhas de código acima significam a mesma coisa. COMO FUNCIONA O CÓDIGO DO ARDUINO? Na programação do Arduino, nós podemos separar o código em três trechos bem definidos como é mostrado na imagem acima. PRIMEIRA PARTE: A primeira parte é onde normalmente as variáveis são inicializadas, caso você inicialize as variáveis neste ponto, você pode utiliza-las em qualquer parte do código chamamos isso de variáveis globais. Além das variáveis, é possível adicionar nesta parte do código as bibliotecas que ajudarão a utilizar outros dispositivos e assim facilitará a nossa vida ao programar, este assunto abordaremos mais a frente neste curso. Obs.: Não é possível colocar qualquer tipo de comando para o Arduino executar nesta parte de código. Curso de Introdução ao Arduino 10

11 SEGUNDA PARTE: A segunda parte do código é onde você normalmente configura o Arduino, é o local que você deve informar ao microcontrolador quais portas você irá no seu projeto e se ele está servindo como saída de dados ou entrada de dados. QUAIS DISPOSITIVOS A SEGUIR É ENTRADAS (INPUT) E QUAIS SÃO DE SAÍDAS (OUTPUT) DE DADOS? 1. Um sensor de temperatura 2. Um botão 3. Um LED 4. Um sensor de toque 5. Uma Tela LCD 6. Uma tela LCD 7. Um Ventilador Nesta parte de código, o Arduino passará lendo apenas uma única vez, então você deve colocar o que acha interessante para este caso. Existe um exemplo clássico que é de fácil observação dentro das nossas casas, muitos eletrodomésticos assim que são ligados na energia elétrica dão um beep para indicar que estão funcionando corretamente ou simplesmente para avisar que estão ligados. TERCEIRA PARTE Esta será a parte em que deverá conter o seu algoritmo, quando o arduino começa a ler este trecho, ele entra em um loop infinito e não sai mais da parte do código até que a energia seja cortada ou se o botão do RESET seja pressionado. Todos os micros controladores fazem isso, por exemplo, a sua TV tem um sensor de infravermelho (módulo bluetooth nas mais modernas) que fica esperando vir o sinal de seu controle remoto, na verdade ele fica rodando um código em loop infinito de leitura do sensor infravermelho. Neste trecho do código é possível inserir absolutamente tudo: comandos, inicialização de variáveis e alocação de pinos do Arduino. Hello World (Controlado pelo Arduino) Agora que aprendemos para que serve cada parte do código do arduino podemos dar prosseguimento com o nosso curso. Vamos introduzir alguns comandos importantes para essa etapa. INICIANDO OS PINOS DE ENTRADA E SAÍDA Toda vez que queremos utilizar os pinos digitais do arduino, devemos dizer para ele se iremos utiliza-los como entrada ou se queremos utiliza-los como saída. Para fazermos isso basta digitarmos algo como a imagem abaixo: Curso de Introdução ao Arduino 11

12 A sintaxe funciona de seguinte maneira: pinmode([número da porta correspondente], [INPUT ou OUTPUT]); É de boa prática de programação que ao invés de colocar um número no local que é para informar a porta deseja usar, colocar uma variável nomeada contendo o número, como podemos observar o exemplo do inicio da seção Como funciona o código do Arduino. Obs.: Não se esqueça do ponto e virgula no final de cada comando que você der, isso vem da herança da linguagem C++ que utiliza este caractere para dizer ao compilador do programa que o comando acabou. Em C++ a sintaxe é do tipo Case Sensitivity, o que significa que para ele a variável int Arduino; é diferente da variável int arduino; sendo assim, tome bastante cuidado na sintaxe, pois é fácil confundir pinmode ao invés de pinmode. O DELAY O comando de delay() é muito utilizado nos projetos do arduino, com ele podemos dizer por quanto tempo tal ação será executada. Tudo o que ele faz é travar o processador em um loop até que complete certa quantidade de tempo. O comando delay é contado em milissegundos, ou seja, se eu quero parar o meu processador durante um tempo de meio segundo, podemos escrever: O DIGITALWRITE O comando digitalwrite() serve para energizarmos os pinos digitais ou não. Esse comando será o responsável pelo controle de quase tudo dentro do seu código, para que funcione é necessário dizer em qual pino está querendo escrever e se deseja liga-lo ou desliga-lo (HIGH ou LOW). Por exemplo: Neste exemplo estamos dizendo para o arduino para ligar o pino onde está o led1. Agora estamos dizendo ao arduino para desligar o pino onde está localizado o led1. Curso de Introdução ao Arduino 12

13 PRÁTICA Vamos começar montando o circuito mais simples possível, ligaremos apenas um LED ao pino digital 8, em série com um resistor de 440, como é ilustrado na figura a seguir. Lembre-se que a posição do resistor não é importante, ele pode estar à frente do LED ou atrás do LED no circuito. O código a seguir vai fazer com que o LED acenda e apague a cada meio segundo: Curso de Introdução ao Arduino 13

14 Agora que digitou o código basta apertar na tecla e dar o upload no Arduino. Caso tenha dado algum erro, verifique se o Arduino está selecionado na porta certa clicando em Tools > Serial Port, verifique também se em Board está selecionada a versão do Arduino que você está utilizando. Exercícios Propostos 1. Faça 3 LEDs ligarem em sequência. 2. Faça uma simulação de um cruzamento de transito, utilizando os LEDs de cor vermelha, verde e amarelo. Parabéns você foi introduzido à programação e a eletrônica utilizando o Arduino!!! Curso de Introdução ao Arduino 14

15 PARTE 2 SINAL ANALÓGICO Curso de Introdução ao Arduino 15

16 O SINAL ANALÓGICO Como foi comentado durante a parte introdutória desta apostila, o sinal analógico pode assumir valores diferentes de 0 ou 1, sendo assim o arduino trabalha com um conversor analógico / digital que faz com que entre um sinal de 0 a 5 volts e ele transforme em um número entre 0 e Então com isso podemos ter até 1024 opções para descrever valores de 0 até 5 Volts com o arduino. Graças a isso podemos utilizar sensores no arduino, porque em geral tudo o que um sensor faz é variar a sua resistência ou a sua impedância sobre a corrente. Você pode pensar... Bom, se estamos falando que ele lê a tensão de 0 a 5 Volts, então significa que o Arduino pode atuar como um voltímetro? E a resposta é SIM! As portas analógicas podem sim atuar como voltímetro, com a restrição que ele precisa estar dentro de um range (faixa) de tensão de até 5V, caso ultrapasse isso você pode queimar o arduino, então tome cuidado antes de plugar o fio neste local. Caso precise medir uma tensão em um circuito que tenha mais do que 5V deverá construir um circuito divisor de tensão assunto importante dentro do mundo da eletricidade e de fácil implementação e aplicação. Já que estamos falando sobre a variação de tensão em um circuito, podemos falar sobre um resistor que é capaz de variar a sua resistência, chamado de POTÊNCIOMETRO. Curso de Introdução ao Arduino 16

17 Potenciômetro O potenciômetro é um elemento muito difundido em todos os ramos da eletrônica e muito fácil de ser encontrado em nossa volta. Por exemplo observe o que cada um destes produtos tem em comum: O que há por trás destes botões circulares é um potenciômetro, ele que faz com que você tenha um ajuste fino sobre alguma coisa. O potenciômetro também é muito estudado junto com a aula de física em eletricidade, o representamos desenhando da seguinte maneira: O potenciômetro que utilizaremos durante as nossas aulas será o potenciômetro linear, pois a sua resistência varia linearmente com o ângulo com que giramos o cursor. Curso de Introdução ao Arduino 17

18 Vamos fazer o primeiro teste com este elemento um LED e um resistor. Iremos variar a potência do LED apenas variando a posição do pino do potenciômetro. Observe o circuito montado abaixo: Obs.: Daqui para frente, não será mais colocado o arduino dentro no desenho quando não for utilizado alguma das portas de comunicação, podemos observar onde sendo utilizado o 5V ou o GND pela cor dos fios. Exercícios Propostos 1. Por que colocamos a resistência junto ao potenciômetro se ele já é uma resistência? 2. Desenhe o esquema do circuito acima. MULTÍMETRO O multímetro é um aparelho capaz de realizar medições em um circuito elétrico. Neste curso ele será fundamental ter fluidez em seu manuseio, com ele iremos medir a Tensão, Corrente e a resistência. Curso de Introdução ao Arduino 18

19 Para utilizarmos ele como se fosse um voltímetro, primeiramente verifique se a ponteira vermelha está ligada ao orifício que contem o símbolo V e a preta está no orifício do COM, agora basta inseri-lo no circuito em paralelo com o que gostaríamos de medir. Para utilizarmos o multímetro como um amperímetro, primeiramente verifique se a ponteira vermelha está ligada ao orifício que está escrito a quantidade máxima de ampère suportada e a preta no orifício escrito COM, agora basta ligar este fio em série com a parte do circuito que gostaria de medir. Para utilizarmos o multímetro como um ohmímetro, primeiramente verifique se a ponteira vermelha está ligada ao orifício com o símbolo e o preto no orifício escrito COM, agora basta ligar essas duas pernas em série com o dispositivo que deseja medir a resistência. OBS.: NUNCA MEDIR A RESISTÊNCIA EM UM CIRCUITO ENERGIZADO, CASO FAÇA ISSO PODERÁ QUEIMAR O APARELHO!!! Curso de Introdução ao Arduino 19

20 Exercícios Propostos Com o multímetro, faça as seguintes medições: 1. A tensão sobre o resistor R2; 2. A corrente que passa pelo circuito; 3. A resistência efetiva destes resistores. A PORTA ANALÓGICA A porta analógica do arduino se comporta como um voltímetro, porém não temos a presença de dois fios como é utilizado o voltímetro normalmente, isso ocorre porque o arduino deixa a perna do negativo aterrada, ou seja, na referencia de 0. Se formos medir a tensão do resistor R2 como mostrado na imagem acima ficaria: Esta porta é capaz apenas de medir tensões apenas de 0 até 5 V, transformando a tensão medida em um número de 0 até 1023 proporcionalmente. O responsável por esta medida é o conversor analógico/digital. A sintaxe para ler a porta analógica é: analogread(porta); No arduino UNO podemos ler as seguintes portas: A0 / A1 / A2 / A3 / A4 / A5. Curso de Introdução ao Arduino 20

21 Com esta porta também podemos escrever,ou seja, mandar um sinal. Diferentemente da leitura (que é puramente analógica), quando mandamos um sinal diferente de HIGH e LOW ele na verdade irá fazer um PWM para representar tal sinal analógico. Sua sintaxe será: analogwrite(porta, Tensão gerada (0 até 1023)); PRÁTICA Agora iremos controlar a velocidade que o LED irá piscar utilizando um potenciômetro, um arduino, um resistor e alguns cabos. OBS.: Colocamos o resistor em série com o potenciômetro apenas para evitar o curto circuito caso giremos o cursor até a resistência zero. PROGRAMANDO Observações: Neste código foram utilizadas constantes para descrever o led e o pot, logo não é possível reescrever estas variáveis durante o código. Curso de Introdução ao Arduino 21

22 Quando utilizamos as portas analógicas não é preciso declarar que estamos utilizando-as no trecho do void setup. O comando if (comando de seleção) O comando de seleção if é um dos mais utilizados na programação estruturada, utilizamos ele para fazer a decisão entre dois casos distintos ou até mesmo buscando por uma condição distinta das demais. Com ele podemos filtrar coisas como: o botão está ou não apertado, se o sensor está marcando um valor acima ou abaixo de um determinado valor, entre outros. Sua sintaxe é bem simples: if(condição) {... } else {... } No caso de uma condição determinada (não dual), é possível suprimir o apenas um caso. else e selecionar OPERADORES Para fazer o controle das condições que queremos impor, devemos utilizar os operadores, a seguir é encontrada uma lista de operadores que podemos utilizar: Operador Função == Igual à!= Diferente de > Maior que < Menor que >= Maior ou igual que <= Menor ou igual que % Resto da divisão Or && And Curso de Introdução ao Arduino 22

23 A seguir estão ilustrados alguns exemplos de utilização deste comando: Os comandos or e o and fazem com que seja possível a sobre carga do comando if, ou seja, com ele podemos testar mais de uma condição. Por exemplo: No primeiro exemplo, ele irá assumir como verdade se qualquer um dos casos der verdadeiro. No segundo, ele irá assumir como verdade se e somente se os dois casos forem verdadeiros. PRÁTICA Neste exemplo prático, vamos detectar se o potenciômetro está tendendo para a esquerda ou para a direita. Tudo o que iremos fazer é ler a tensão em cima de um potenciômetro com a porta analógica pegando o número 1023 (5V) e dividir por 2, ou seja, 511 (2,5V), se for maior do que 511 o LED D1 irá acender, caso contrário o LED D2 irá acender. Tome como exercício, criar o circuito desenhado acima na protoboard. Obs.: tome cuidado para não deixar o potenciômetro chegar à resistência igual a zero. Curso de Introdução ao Arduino 23

24 PROGRAMANDO Repare que não é preciso dizer que o caso contrário da condição é <= 511, ele já subentende isso. O Piezoelétrico O Piezoelétrico é um dos mais interessantes componentes elétricos que podemos encontrar no mercado, suas aplicações são praticamente infinitas, podemos encontra-los em sensores de toque, alarmes, caixa de som, ultrassom hospitalar, fones de ouvido, dentre outros. Curso de Introdução ao Arduino 24

25 O piezoelétrico é capaz de gerar energia, chamada piezo eletricidade, ela se dá quando seus cristais são pressionados assim gerando uma DDP alta, porém momentânea, por este motivo ele é considerado o menor gerador de energia do mundo. Por outro lado, se passamos uma corrente pelos cristais ele gera ondas mecânicas de mesma frequência que pulsamos nela. Neste momento nos interessa apenas utiliza-lo como um emissor de som, conhecido como Buzzer, seu símbolo em um circuito é este. PRÁTICA O funcionamento do Buzzer é muito simples, basta aplicar uma corrente em uma determinada frequência em seus terminais que ele começa a emitir sons. A resistência colocada em série com ele fará controlar a potência do dispositivo. OBS.: Tome cuidado com o lado positivo e negativo do buzzer, a perna com maior comprimento é o polo positivo. PROGRAMANDO O arduino já possui uma função para gerar os pulsos elétricos chamada de tone, sua sintaxe funciona da seguinte maneira: tone(porta Digital, Frequência a ser emitida); Devemos também desligar o Buzzer, com a função informar o número da porta que está sendo parada. notone(porta Digital); notone, neste caso devemos apenas Desta maneira conseguimos escrever musicas com o buzzer, associar determinada nota musical com determinada frequência, criar teclados eletrônicos utilizando botões, etc. Curso de Introdução ao Arduino 25

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