c.e.s.a.r introducao ao arduino

Instituto de Inovação com TIC

[ Dezembro/2010 ]

introdução ao arduino

Tiago Barros|tiago.barros@cesar.org.br

Inovação é a gente!

conteúdo

• computação física• conceitos básicos de eletricidade• conceitos básicos de eletrônica• plataforma arduino• sinais analógicos e digitais• sensores e atuadores• comunicação serial

[ Dezembro/2010 ]

computação física

• uso de computação e eletrônica [sensores e atuadores] na prototipação de objetos físicos para interação com seres humanos

• comportamento implementado por software

• utilização de microcontroladores

• o objetivo é interligar o mundo físico com o mundo virtual

• usar a computação e a interação com a tecnologia para o desenvolvimento das suas atividades

• meio para comunicação e interação entre pessoas

como vemos oscomputadores?

• teclado

• mouse

• monitor

• CPU

• caixas de som

como vemos os computadores?

como os computadores nos veem?

• dedos [teclado/mouse]

• olho [monitor]

• duas orelhas [caixas de som]

reflexo das entradas e saídas do computador

como os computadores nos veem?

“mudar a forma que os computadores nos

veem mudará como eles interagem

conosco”Tom Igoe – Physical Computing

[ Dezembro/2010 ]

conceitos básicos de eletricidade

eletricidade

eletricidade - interação entre partículas atômicas

universo formado de átomos

partículas atômicas:

prótons: cargas positivas

elétrons: cargas negativas

eletricidade

Atomos com mais elétrons que prótons estão carregados negativamente (íon negativo)

Atomos com menos elétrons que prótons estão carregados positivamente (íon positivo)

“buraco”

“elétron extra”

eletricidade

cargas iguais se repelem

cargas opostas se atraem

cargas em movimento geram campo magnético

campo magnético em movimento gera corrente elétrica

eletricidade – condutores e isolantes

isolante – evita a passagem de elétrons

condutor – permite o fluxo de elétrons

eletricidade – diferença de potencial (v)

cargas negativas

quanto maior a tensão, mais “força” teem os elétrons

diferença de potencial ou tensão.

cargas positivas

eletricidade – corrente elétrica (i)

quanto maior a corrente, maior a “quantidade” de

elétrons

fluxo de elétrons em um condutor

eletricidade – tipos de corrente elétrica

corrente contínua

corrente alternada

eletricidade – tipos de corrente elétrica

inversão de polaridade no tempo

mesma polaridade no tempo (sentido continuo)

eletricidade – resistência elétrica (r)

propriedade do material condutor em reduzir

a passagem dos elétrons

elétrons “se acumulam e batem” no condutor, “dissipando” sua

energia(gerando calor)

eletricidade – lei de ohm

V = R x I

a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um

condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o

percorre e à sua resistência (R)

R I R = V/I

I = V/R

eletricidade – circuito elétrico

Rgerador[fonte]

condutor[caminho]

carga[consumidor]

e agora, computação..

[ Dezembro/2010 ]

sistemas computacionais reativos

percepção do ambiente, recebendo estímulos atavés de sensores;

e reação aos estímulos, de acordo com o seu comportamento (software), através de atuadores.

[ Dezembro/2010 ]

plataforma Arduino

plataforma arduino

• microcontrolador Atmel

• programação usando Wiring (subconjunto de processing, baseado em C/C++)

• open-source: evolução da plataforma através de contribuições dos usuários

plataforma arduino - hardware

Duemilanovemini

lilypad

boarduino

paperduino megapro

plataforma arduino - hardware

• portas• 14 entradas/saídas digitais • 6 entradas analógicas

• memória• RAM: 1K• Flash (programa): 16k – 2k (bootloader)

• velocidade de processamento: 16MHz

plataforma arduino – hardware

plataforma arduino - instalação

• driver windows: FTDI Serial USB linux: não precisa instalar nada :-)

• software é só descompactar e executar

plataforma arduino - instalação

• Selecionando a placa e a porta serial

plataforma arduino – ambiente

área de código

área de status e saída serial

compilar (verif. programa)

parar execução

salvar

enviar programa para placa

exibir serial

plataforma arduino – ciclo de vida

escrever

compilar

enviar para placa

verificar execução

corrigir erros

[ Dezembro/2010 ]

atuadores

plataforma arduino – estrutura do sketch

plataforma arduino – linguagem

• linguagem baseada em C (mas bem mais fácil)

• comandos básicos

• pinMode() – define um pino com entrada ou saída

• digitalWrite() – liga ou desliga uma saída digital

• delay() – “espera” um determinado tempo

• Exemplos

• pinMode(num_do_pino, OUTPUT);

• digitalWrite(num_do_pino, valor); valor é LOW ou HIGH (0 ou 1, 0V ou 5V)

• delay(milisegundos);

• constantes

LOW | HIGH – indica nível baixo (0V) e alto (5V) nos pinos INPUT | OUTPUT – define se um pino vai ser pino de entrada ou

de saída

atividade prática!

prática

• fazer o programa hello arduino, que pisca um led

• use o pino 13 de saída digital, a placa já possui um led ligado a ele :-)

plataforma arduino – hello arduino

Perguntas

• comandos básicos

• analogWrite() – escreve um valor analógico no pino

• analogWrite(num_pino, valor); valor entre 0 e 255

eletrônica – modulação PWM

a função analogWrite() escreve “pulsos” muito rápidos no pino digital (só funciona nos pinos marcados com PWM).

o valor a ser escrito representa o tempo que o pulso fica em nível alto e varia de 0 a 255.

quanto mais tempo o pulto permanecer em nível alto, maior é a “tensão média” da saída

plataforma arduino - linguagem

• variáveis• Espaço reservado na memória para

armazenamento de valores • Variáveis são declaradas de acordo com o tipo

de dado a ser armazenado (int, long, char, etc…)

tipo nome = valor;

Exemplo:int x = 10;int y = 20;int resultado;char vogal = ‘a’;

Resultado = x + y;

• for

for (inicialização; condição; incremento) { //comando(s); }

for (int i=0; i <= 255; i++){ analogWrite(PWMpin, i); delay(10); }

mais prática!

eletrônica – protoboard

• antes disso: • Protoboard

eletrônica – protoboard

• jumpers

antes dissomais um pouco de eletrônica...

eletrônica – resistores

oferecem resistência à passagem da corrente elétrica

transformam energia elétrica em energia térmica[pode ser usado como atuador]

tipos:

carvão [carbono]

filmefio

resistência:

fixovariável

eletrônica – resistores

valores expressos em ohms

o corpo dos resistores possui um código de cores para identificar o valor

agora sim, prática!

prática

• modificar o programa hello arduino para acender o led com efeito de “fading” (acender gradativamente)

• dica: use analogWrite() em vez de digitalWrite(), variando os valores escritos, de 0 a 255

prática

• circuito

Figura retirada de http://arduino.cc/

prática

• esquemático

prática

• protoboard

Figura retirada de http://www.multilogica-shop.com/Aprendendo/Exemplos/Fading

prática

• Mãos à obra!

• modificar o programa hello arduino para acender o led com efeito de “fading” (acender gradativamente)

• dica: use analogWrite() em vez de digitalWrite(), variando os valores escritos, de 0 a 255

Perguntas

[ Dezembro/2010 ]

sensores

sensores – chave (switch/button)

• interrompe a passagem da corrente elétrica• liga/desliga o circuito• sensor de toque

esquemático

• Comandos• digitalRead() – le um pino de entrada

• Exemplo:• int chave = 0;• chave = digitalRead(num_do_pino);

• ifif (variavel == 0) { // faça alguma coisa }

• if … elseif (variavel == 1){ // acao A } else { // acao B

sensores

arduino lê tensões de

entrada (e não valores 0 e 1)

5 volts == HIGH (1)0 volts == LOW (0)

sem conexão em umpino, a entrada flutuaentre 0 e 5 volts (HIGH e LOW) este resistor é necessário

para que o pino seja levado para 0 quando não estiver conectado (chave aberta)

atividade prática!

sensores - prática

• fazer o circuito e o programa para acender o led 13 de acordo com sinal de entrada do pino 2

sensores - prática

• esquemático

sensores - prática

• protoboard

sensores - prática

atividade prática!

sensores - prática

• chave no pino 2 seleciona a saída do LED – “fade” ou “blink”

Perguntas

voltando à eletrônica...

eletrônica – sinais analógicos e digitais

sinal com variação contínua no tempo

sinal com variação discreta (valores pré-definidos)

eletrônica – conversão de sinais

valor é lido em intervalos regulares de tempo e transformado em um número digital

vários valores, não só HIGH e LOW. quantiade de valores é a resolução.

resolução de 8 bits = 256 valoresresolução de 16 bits = 65536 valores

eletrônica - resistores

• Como funciona um resistor variável?

• no arduino, o valor da tensão é transformado em um valor digital entre 0 e 1023

atividade prática!

sensores analógicos – prática

• ler o valor do resistor variável e ligar um LED se esse valor passar de um determinado limite.

• esquemático

• circuito

entrada analógica – prática

[ Dezembro/2010 ]

protocolos de comunicação

comunicação serial – RS232

• chip ATMEGA 168 só tem interface serial, não tem USB

• nossa placa arduino possui um chip que converte Serial para USB

• usamos o mesmo cabo USB pra enviar dados pro PC via serial

• o arduino possui uma biblioteca que implementa comunicação serial

• Serial.begin();

• Serial.print();

• Serial.read();

• Leds• TX: dados

enviados para o PC

• RX: dados recebidos do PC

•atividade prática!

comunicação serial - prática

“Hello Arduino” via serial

eletrônica – resistores LDR

• resistor variável sensível à luz

eletrônica – resistores LDR

• resistor variável sensível à luz

circuito para arduino

porque o resistor de 1k? - para limitar a corrente se o LDR assumir valores muito baixos

ler valores do LDR e enviar via serial

atividade prática!

entrada analógica – prática

• fazer uma “escala de leds” que acendem de acordo com o aumento do valor lido do LDR na entrada analógica.

Perguntas

sensores sonoros

• microfones• transformam ondas sonoras em ondas elétricas

• a variação de tensão é bem pequena em um microfone de eletreto

• precisa de circuito para amplificar o sinal e seu valor poder ser lido pelo arduino

sensores sonoros

• circuito para amplificar o sinal do microfone para o arduino

sensores sonoros

• já temos o circuito pronto!

sensores sonoros - prática

• detectar comandos sonoros e acender leds correspondentes

• dica: medir a tensão de saída do circuito para calibrar o microfone (lembrando que a saída “segura” o valor por 0,5 segundo).

Perguntas

atuadores sonoros

• Buzzer piezoelétrico• formado por

cerâmica piezoelétrica e disco metálico

• ao receber uma tensão o cristal se expande, quando removemos a tensão ele volta

atuadores sonoros

• Buzzer piezoelétrico• 2 fios: preto é

negativo e vermelho é positivo

• aplicando uma tensão variável produz vibração que é traduzida em som

atuadores sonoros - prática

• programar o arduino para emitir som

• como ligar o buzzer: fio preto no GND e vermelho no pino de saída desejado

• podemos ligar um resistor em série para diminuir o volume

atuadores sonoros

• como programar o arduino para tocar uma nota musical?

• uma nota musical é um som em uma determinada frequência

• a frequência de uma nota significa quantas vezes o atuador sonoro vibra em 1 segundo

atuadores sonoros

• para fazer o atuador vibrar, escrevemos no pino uma sequência de valores HIGH e LOW, tantas vezes por segundo quanto for a frequência da nota

• o tempo de cada variação HIGH e LOW é chamada de período e é o inverso da frequência

baixa frequência

alta frequência

período

1 segundo

• funções

tipoRetorno nome(tipo parametro1, tipo parametro2) { //corpo da fução

return variavel_do_mesmo_tipo_de_retorno; }

Exemplo:

int funcaoSoma(int a, int b) { int resultado = a + b;

return resultado; }

• arrays• conjunto (sequencia) de variáveis do mesmo

tipo• seus valores são acessados através do índice

tipo nome[tamanho] = {lista de valores separados por virgula};

Exemplo:int valores[4] = {100, 200, 300, 400};char vogais [5] = {‘a’, ‘e’, ‘i’, ‘o’, ‘u’};

int num = valores[2];int y = 3;int x = valores[y];char vogal = vogais[y];

atuadores sonoros

• como programar o arduino para para tocar uma nota musical?

timeHigh = periodo / 2 = 1 / (2 * frequência)

* nota frequência periodo tempo em nivel alto* c (dó) 261 Hz 3830 1915 * d (ré) 294 Hz 3400 1700 * e (mi) 329 Hz 3038 1519 * f (fá) 349 Hz 2864 1432 * g (sol) 392 Hz 2550 1275 * a (lá) 440 Hz 2272 1136 * b (si) 493 Hz 2028 1014 * C (dó) 523 Hz 1912 956

char notes[] = { 'c', 'd', 'e', 'f', 'g', 'a', 'b', 'C' }; int tones[] = { 1915, 1700, 1519, 1432, 1275, 1136, 1014, 956 };

• programar o arduino para tocar uma nota musical

void playTone(int period, int duration) { for (long i = 0; i < duration * 1000L; i += period * 2) { digitalWrite(speakerPin, HIGH); delayMicroseconds(period); digitalWrite(speakerPin, LOW); delayMicroseconds(period); }}

• tocar uma melodia, baseado na escala de notas abaixo:

• cdef ff cdcd dd cgfe ee cdef ff

Perguntas

[ Dezembro/2010 ]

displays

eletrônica – displays de LEDs (7 seg)

conjunto de leds organizados de forma a representar numeros e caracteres

ligando os leds corretos, representamos numeros

catodo comum ou anodo comum

displays de LEDs - prática

temporizador digital

displays de LEDs - prática

temporizador digital - protoboard

Perguntas

prática final de hoje – luzes e sons

• montar um “dispositivo” interativo que utilize luz e som como entradas e/ou saídas.

arduino - referencias

• Lista dos comandos da linguagem em:

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

• Lista dos tutoriais em:

http://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage

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