introdução a sistemas embarcados com arduino - mini-curso

v. 2 - 2014

Introdução aSistemas Embarcados

com Arduino

Felipe Nascimento Martins

O trabalho Introdução ao Arduino de Felipe Nascimento Martins foi

licenciado com uma Licença

Creative Commons - Atribuição-CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.

Introdução aSistemas Embarcados

com Arduino

Contato:

Twitter: @f_n_martinshttp://www.facebook.com/felipenm

felipe.n.martins@gmail.com

Conteúdo

• Sistemas embarcados;

• Arduino: características de hardware;

• Arduino: características de software;

• Microcontrolador;

• Eletrônica: conceitos básicos;

• Planejamento de programas;

• Sensores e atuadores;

• Práticas (montagem e programação);

• Avançando com o Arduino: shields, comunicação sem fio, aplicações em robótica...

Sistemas Embarcados

Sistema Embarcado

• Sistema baseado em microcontroladores em que o computador é encapsulado e dedicado ao dispositivo ou sistema que ele controla;

• Realiza um conjunto de tarefas pré-definidas, com requisitos específicos;

• Além do computador dedicado, em geral possui sensores, atuadores e uma interface com o usuário.

Sistema de Controle Embarcado

Exemplos de Sistemas Embarcados

• MP3 player, relógio digital, calculadora, controlador de veículo elétrico, navegador com GPS, leitora para pagamento com cartões de crédito, robô, semáforo, roteador, console de vídeo game, lavadora de roupas, marca-passo, quadricóptero, forno de micro-ondas, tablet, medidor de pressão arterial, televisão etc.

Exemplos de Aplicação

O que é Arduino?

• Arduino é uma plataforma de prototipagem

eletrônica open-source, baseada nos princípios

de flexibilidade e facilidade de uso para hardware

e software.

• Consiste de uma placa com microcontrolador

programável preparada para receber sinais de

sensores e acionar atuadores.

• Sua linguagem de programação é baseada em

Wiring (baseado em C/C++).

• A placa pode funcionar em conjunto ou de forma

independente do computador.

Arduino – hardware

Arduino – software

Arduino é Open Source

• Desenvolvido por: Massimo Banzi, David

Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino e David

Mellis, na Itália, em 2005;

• Todo o projeto é aberto: open source hardware

and software;

• 200 placas vendidas em 2005, 5.000 em 2006,

30.000 em 2007 e mais de 300.000 em 2011 e

cerca de 1 milhão até setembro de 2013!

• Site oficial: www.arduino.cc

Arduino é Open Source!

• Todo o hardware é aberto e os projetos estão

disponíveis.

• Quem quiser, pode comprar os componentes e montar a

sua placa!

• O software de programação também é livre e está

disponível para download gratuitamente.

disponíveis.

sua placa!

• Mas...

disponíveis.

sua placa!

• Mas...

• O nome Arduino é marca registrada!

Clones do Arduino

• Freeduino

Clones do Arduino

• Seeduino

Clones do Arduino

• Brasuíno

Clones do Arduino

• Severino

Similares ao Arduino

• chipKIT Uno32 - PIC32MX320F128 (32 bits,

80MHz, 128kB Flash, 16kB SRAM)

• Olimexino – STM32F103RBT6 (núcleo ARM Cortex

M3, 32 bits, 128kB, 72MHz)

• Adafruit Trinket – ATtiny85

• TI LaunchPad:

MSP430

• LaunchPad:

ARM Cortex M4

Compatível com Arduino

Características de Hardware

Arduino Uno

• Microcontrolador: ATmega328;

• Tensão de operação: 5V;

• Tensão de entrada (recomendada): 7-12V;

• Pinos digitais de E/S:14 (6 podem ter sinal PWM);

• Pinos com entrada analógica: 6;

• Corrente máxima por pino de E/S: 40 mA;

• Hardware para comunicação: 1 porta serial (UART TTL),

I2C (TWI), SPI;

• Memória Flash (de programa): 32 kB, dos quais 0,5 kB

são usados pelo bootloader;

• Memória SRAM: 2 kB; EEPROM: 1 kB;

• Frequência de clock: 16 MHz.

Arduino Leonardo

• Microcontrolador: ATmega32u4;

• Pinos digitais de E/S: 20 (7 podem ter sinal PWM);

• Hardware para comunicação: 1 porta serial (UART TTL),

I2C (TWI), SPI, USB 2.0 (emula teclado ou mouse);

• Memória Flash (de programa): 32 kB, dos quais 4 kB são

usados pelo bootloader;

• Memória SRAM: 2,5 kB; EEPROM: 1 kB;

Arduino Mega 2560

• Microcontrolador: ATmega2560;

• Pinos digitais de E/S: 54 (15 podem ter sinal PWM);

• Hardware para comunicação: 4 portas seriais (UART

TTL), I2C (TWI), SPI, USB 2.0 (emula teclado ou mouse);

• Memória Flash (de programa): 256 kB, dos quais 8 kB

são usados pelo bootloader;

• Memória SRAM: 8 kB; EEPROM: 4 kB;

Arduino Mega 2560

Microcontrolador

O que é um Microcontrolador?

– Chip;

– CPU de pequeno porte, capaz de executar

um conjunto de instruções;

– Ou seja, possui um microprocessador!

– Instruções simples e rápidas;

– Possui memória(s);

– Possui periféricos;

– Pode se comunicar com outros periféricos;

Componentes de um Microcontrolador

ConversorD/A

ConversorA/D

EEPROM

PortaSerial

PortaParalela

Temporizadores

Microcontrolador

Diagrama de blocos da arquitetura

Exemplos de Microcontroladores

• Família 8051 (Intel ou ATMEL)

• 80C196KB (Intel)

• 68HC11 (Motorola / Freescale)

• MSP430 (Texas Instruments)

• ATmega328 (ATMEL)

• PIC16F628A (Microchip)

• dsPIC30F6014 (Microchip)

• Cortex M3 (ARM)

Cadê o

Arduino??

• Cortex M3 (ARM)

• ATMEL

• ATmega168: Diecimila, Duemilanove, Nano,

LilyPad;

• ATmega328P: Duemilanove, Nano, Fio, LilyPad,

• ATmega1280: Mega;

• ATmega2560: Mega2560;

• ATmega32u4: Leonardo, Esplora, LilyPad USB,

Yún, Robot;

• AT91SAM3X8E: Due.

Microcontroladores do Arduino

Arduino ProcessadorFlash

EEPROM

Duemilanove ATmega168/328P 16/32 0,5/1 0,5 14 6 16 6

Uno ATmega328P 32 1 2 14 6 16 6

Mega ATmega1280 128 4 8 54 16 16 15

Mega2560 ATmega2560 256 4 8 54 16 16 15

NanoATmega168 ou

ATmega32816/32 0,5/1 0,5 14 8 16 6

LilyPadATmega168V ou

ATmega328V16/32 0,5 1 14 6 16 6

Leonardo ATmega32u4 32 1 2,5 20 12 16 7

Due AT91SAM3X8E 512 -- 96 54 12 84 12

Esplora ATmega32u4 32 1 2,5 20 12 16 7

Arduino

Arduino - Microcontrolador

• ATmega328 (Arduino Uno):

• Núcleo AVR RISC de 8 bits;

• 32kB Flash, 2kB RAM, 1kB EEPROM;

• 23 pinos de E/S;

• 3 temporizadores/contadores;

• USART, I2C, interface a 2 fios SPI;

• 6 canais de conversor A/D de 10 bits;

• WDT com oscilador interno;

• Clock máximo de 20MHz;

• Opera de 1,8V a 5,5V.

• ATmega32u4 (Arduino Leonardo):

• Núcleo AVR RISC de 8 bits;

• 32kB Flash, 2kB RAM, 1kB EEPROM;

• 26 pinos de E/S;

• 3 temporizadores/contadores;

• USART, USB transceiver, I2C, 2 interfaces a 2 fios SPI;

• 12 canais de conversor A/D de 10 bits;

• WDT com oscilador interno;

• Clock máximo de 16MHz;

• Opera de 2,7V a 5,5V.

Características de Software

Arduino – Programação

Programa.HEXCompilador

Programador

Arduino – Programa básico

No Arduino Uno:

pinos digitais 0 a 13 (0 a 13);

pinos analógicos 0 a 5 (14 a 19).

Prática 1: Pisca-LED

• Montagem:

Matriz de contatos (Breadboard ou Protoboard)

http://123d.circuits.io/circuits/155964-pratica-1-pisca-led/embed

Prática 1: Pisca-LED

Eletrônica: Conceitos Básicos

Um pouco de eletrônica

• Ok. Entendi o programa.

• Mas o que acontece nos

pinos do Arduino?

• A função

digitalWrite(12,HIGH);

faz com que o pino 12 vá

para “nível alto”, ou seja, ele fica com 5V.

pinos do Arduino?

• A função

para “nível alto”, ou seja,

ele fica com 5V.

• Este pino está ligado ao

RESISTOR+LED, e ao pino

GND (0V).

pinos do Arduino?

• A função

para “nível alto”, ou seja,

ele fica com 5V.

• Este pino está ligado ao

RESISTOR+LED, e ao pino

GND (0V).

• É um circuito série, por

onde circula corrente!

• Em resumo:

• É a circulação de corrente

elétrica (elétrons) que faz

acender o LED;

• Experimente retirar o fio

que liga o LED ao GND,

mantendo o pino 12 em 5V.

• O LED apaga pois a

corrente precisa circular

num circuito fechado!

• Em resumo:

• É a circulação de corrente

elétrica (elétrons) que faz

acender o LED;

• A corrente só existirá se

houver diferença de

potencial elétrico

(diferença de tensão) entre

pontos do circuito: 5V – 0 =

• Tensão: volt [V];

• Corrente: ampère [A].

• A função

digitalWrite(12,LOW);

para “nível baixo”, ou seja,

ele fica com 0V.

• Logo, como não há

diferença de tensão entre

os pinos 12 e GND, a

corrente é zero => LED

apaga.

• Beleza. Mas, e o resistor?

Serve para quê?

• Beleza. Mas, e o resistor?

Serve para quê?

• O elemento resistor serve

para dificultar a circulação

de corrente elétrica;

• Ele é colocado no circuito

para evitar que a corrente

cresça muito, o que pode

provocar problemas;

• No nosso circuito, o

resistor serve para evitar

que o LED queime devido

a uma corrente muito alta.

• Quanto maior for o valor

da resistência do resistor,

menor será a corrente

(para uma mesma

diferença de tensão).

• O brilho do LED varia com

a corrente.

• Cálculo da corrente:

• Lei de Ohm: V = R * I

• V = 5V, R = 220Ω.

• I = 5 / 220

• I = 0,0227 A = 22,7 mA

• Lei de Ohm: V = R * I

• V = 5V, R = 220Ω + 220Ω.

• I = 5 / 440

• I = 0,0114 A = 11,4 mA

• Podemos calcular a queda de

tensão em cada resistor:

• VR = R * I, R = 220Ω, I = 11,4 mA.

• VR = 220 * 0,0114 = 2,5 V.

• O LED tem queda de

tensão fixa = ~1,73V. Logo:

• V = 5 – 1,73 = 3,27V.

• V = R * I => I = V / R.

• I = 3,27 / 220 = 0,0149 A

• I = 14,9mA.

• Note que se a tensão do

pino 12 pudesse ser

alterada, a corrente no

circuito seria diferente.

• Ou seja, poderíamos

controlar o brilho do LED!

Prática 2: Código Morse

• Modifique o programa

Pisca-LED de forma que o

LED sinalize

indefinidamente o código

Morse que representa

S.O.S.:

...---...

OBS.: “ponto” é uma piscada

rápida do LED (pouco

tempo aceso), enquanto o

“traço” é uma piscada mais

lenta (mais tempo aceso).

• Dispositivo semicondutor que permite a circulação de

corrente apenas em um sentido;

• A tensão em seus terminais deve ter polaridade correta:

mais positiva no terminal A (anodo) e mais negativa no

terminal K (catodo);

• Apresenta queda de tensão aproximadamente fixa

(~0,7V) quando a corrente circula;

• Usado em circuitos retificadores: transforma corrente

alternada para contínua.

• Retificador de onda completa:

Diodo - exemplos

Prática 3: Não pisca-LED

• LED é um diodo especial

que brilha quando a

corrente circula por ele.

• Experimente inverter a

ligação dos pinos do LED

em nosso circuito e

verifique que ele não vai

mais piscar, mesmo

quando houver diferença

de potencial nos pinos!

Capacitor

• Elemento que armazena energia na forma de campo

elétrico;

• Existem vários tipos: alguns têm polaridade (como os

eletrolíticos), outros não (como os cerâmicos);

• A tensão em seus terminais depende da carga

acumulada, e não varia instantaneamente;

• Em corrente contínua, são usados como filtros ou

“suavizadores” de tensão.

Capacitor - exemplos

Capacitor – exemplo de aplicação

• Retificador de onda completa com capacitor:

Sensores Digitais

Sensores com Sinais Digitais

• Diversos sensores proveem informação através

de sinais digitais:

• Botão;

• Porta aberta/fechada;

• Andar de elevador;

• Fim-de-curso em máquinas industriais;

• Equipamento ligado/desligado;

• Nível de reservatório;

• Presença;

• Toque;

• Etc.

Sensores com Sinais Digitais

• Do ponto de vista elétrico, comportam-se como se

fossem uma chave liga/desliga;

• Nesses casos, podemos fazer a ligação de modo

que o sinal do sensor seja 0V ou 5V;

• No Arduino, a função utilizada para leitura de sinais digitais é digitalRead(pino); onde pino é o

número do pino em que o sensor está ligado;

• Para Vs = 5V, retorna 0 (Vpino < 2V) ou 1 (Vpino > 3V).

Prática 4: Leitura de Sinal Digital

• Monte o circuito ao

• Altere o programa

da prática 1 para

que o LED acenda

com o botão for

pressionado, e

apague quando o

botão for liberado.

http://123d.circuits.io/circuits/155968-pratica-4-leitura-de-sinal-digital/embed

Programas mais complexos

Funções do Arduino

• Já vimos:

void setup(){

void loop(){

• Já vimos:

pinMode(pino, OUTPUT ou INPUT);

digitalWrite(pino, LOW ou HIGH);

delay(número inteiro);

digitalRead(pino);

• Outras funções:

delayMicroseconds(número inteiro);

Pausa o programa pela quantidade definida de

microssegundos.

millis();

Retorna o número de milissegundos que se passou

desde que o microcontrolador foi ligado.

analogRead(pino);

Obtém valor entre 0 e 1023 proporcional à tensão no

pino (entre 0 e 5V). Tempo de conversão = 100μs.

microssegundos.

millis();

analogRead(pino);

microssegundos.

millis();

analogRead(pino);

• Exemplos:

while(analogRead(A2) < 950){

... // bloco de código

Executa o bloco de código até que o valor de retorno

da função analogRead seja maior que 950.

for(int conta = 0; conta < 6; conta++){

Executa o bloco de código até que conta >= 6.

• Exemplos:

while(analogRead(A2) < 950){

Executa o bloco de código até que o valor de retorno

da função analogRead seja maior que 950.

for(int conta = 0; conta < 6; conta++){

Executa o bloco de código até que conta >= 6.

• Exemplos:

if (brilho == 0 || brilho == 255) {

... // bloco de código 1

else {

... // bloco de código 2

Executa o bloco de código 1 se a condição de teste

for verdadeira. Caso contrário, executa o bloco de

código 2.

Criando Funções no Arduino

int led = 13;

void setup(){

pinMode(led, OUTPUT);

void inverteLED(){

if (digitalRead(led)==0)

digitalWrite(led, HIGH);

digitalWrite(led, LOW);

void loop(){

inverteLED();

delay(500);

Tipos de Dados no Arduino

boolean (8 bits) – true/false;

byte (8 bits) – número entre 0 e 255;

char (8 bits) – caractere (número entre -128 e 127);

unsigned char (8 bits) – mesmo tipo que ‘byte’;

word (16 bits) – número entre 0 e 65.535;

unsigned int (16 bits) – mesmo tipo que ‘word’;

int (16 bits) – número entre -32.768 e 32.767;

unsigned long (32 bits) – número entre 0 e

4.294.967.295;

long (32 bits) – número entre -2.147.483.648 e

2.147.483.647;

float (32 bits) – entre -3,4028235E38 to 3,4028235E38.

Linguagem do Arduino

Planejamento de um Programa

• Fluxogramas

Planejamento de um Programa

Exercício: Desenhe o Fluxogramaconst int ledPin = 13; // pino do LED

int ledState = LOW; // estado do LED

long previousMillis = 0; // última atualização do LED

long interval = 500; // interval para piscar LED

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT);

void loop(){

unsigned long currentMillis = millis();

if(currentMillis - previousMillis > interval) {

previousMillis = currentMillis;

if (ledState == LOW)

ledState = HIGH;

ledState = LOW;

digitalWrite(ledPin, ledState);

} Felipe Nascimento Martins

da prática 4 para

que o LED troque

de estado a cada

pressionar de

botão: se estiver

apagado, acende; e

vice-versa.

da prática 4 para

que o LED troque

de estado a cada

pressionar de

botão: se estiver

apagado, acende; e

vice-versa.

• Funcionou como

esperado?

Leitura de Sinal Digital

Bounce (oscilação de contato)

Técnica para fazer debounce do sinal

int led_pin = 13;

int led_state = LOW;

int button_pin = 0;

int button_state;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

pinMode(led_pin, OUTPUT);

pinMode(button_pin, INPUT);

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

// Enquanto o botão não for pressionado, não faz nada.

while (digitalRead(button_pin)!=0){

// Depois que o botão é pressionado, aguarda ser solto

while (digitalRead(button_pin)==0){

// Atraso para aguardar oscilação de contato terminar

delay(50);

// Inverte o estado da variável led_state

led_state = !led_state;

// Copia variável led_state para o pino do LED

digitalWrite(led_pin, led_state);

Sensores Analógicos

Sensores com Sinais Analógicos

• Diversos sensores proveem informação através

de sinais analógicos:

• Intensidade luminosa (LDR);

• Deslocamento (angular ou linear);

• Força/Torque (SFR, strain gage);

• Proximidade;

• Aceleração;

• Inclinação;

• Temperatura;

• Etc.

Intensidade Luminosa: LDR

• Resistor cuja resistência varia conforme a

intensidade da luz incidente.

• Vários modelos com diferentes sensibilidades.• Datasheet: http://www.biltek.tubitak.gov.tr/gelisim/elektronik/dosyalar/40/LDR_NSL19_M51.pdf

Intensidade Luminosa: LDR

Prática 6: Usando o sensor de luz

• Monte o circuito com LDR – Light Dependent

Resistor (sensor de luz).

• Escreva um programa que acenda o LED do pino

13 quando houver pouca luz e apague o mesmo LED quando houver muita luz.

void setup() {

void loop() {

Deslocamento

• Deslocamento linear ou angular pode ser medido com potenciômetros;

• Com alimentação de 5V, o sinal varia de 0 a 5V (mínimo a máximo deslocamento);

• Há potenciômetros angulares multivoltas e potenciômetros lineares de longo alcance.

Deslocamento

Força e Torque

• FSR (Force Sensing Resistor) e Strain Gage (extensômetro): resistência varia com a deformação.

• Usados para medir força e torque.• Datasheets:

FSR - http://www.trossenrobotics.com/productdocs/2010-10-26-DataSheet-FSR402-Layout2.pdf

Célula de carga - http://www.alfainstrumentos.com.br/manuais/celulas/catalogo_celulas_0302cp.pdf

Strain Gage

Proximidade por infravermelho

• Sharp GP2Y0A21YK0F

• Tensão de alimentação: 5V;

• Pode medir distâncias de 10 a 80 cm;

• Sinal: tensão entre 1,65V e 2,15V.

• Há outros modelos com outras faixas de medição.Datasheet: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/GP2Y0A21YK.pdf

Proximidade por infravermelho

Aceleração/Inclinação

• ADXL335

• Tensão de alimentação: 3,3 V;

• Mede aceleração nos 3 eixos do espaço;

• Mede aceleração de até 3g;

• Mede aceleração da gravidade (estática), podendo ser usado para medir inclinação.

• Datasheet: https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/SMD/adxl335.pdf

Temperatura: RTDs

• RTD = Resistance Temperature Detectors

• Normalmente confeccionados com um fio (ou

enrolamento) de alta pureza de cobre, níquel ou

platina (estes são os melhores).

• RTDs comuns podem medir com erros da ordem de

±0,1ºC. Os de platina (PRT – Platinum Resistance

Thermometer) podem chegar a ±0,0001ºC.

• São estáveis e lineares, com ótima repetitividade.

• Aplicações incluem refrigeração de alimentos e

compostos químicos, fornos de fusão (produção de

metais e ligas), destilação fracionada (produção de

bebidas e derivados de petróleo), usinas nucleares e

aquecedores e refrigeradores domésticos.

Temperatura: Termistores NTC/PTC

• São semicondutores cerâmicos que têm sua resistência alterada com a variação de temperatura.

• Geralmente seu coeficiente de variação é maior que o dos RTDs, mas a variação de resistência é menos linear.

• Podem ser de dois tipos: NTC ou PTC (Negative ou Positive Temperature Coefficient).

• Faixa típica de operação: de -100ºC a 300ºC.

• Resistência a 25ºC: de 0,5Ω a 100MΩ.

• Aplicações: circuitos simples de medição de temperatura; para reduzir corrente de carga de capacitores em fontes chaveadas (NTCs) etc.

Temperatura: RTD x NTC

Temperatura: RTD ou NTC

Temperatura: TMP35/36/37

• Tensão de alimentação: 2,7 V a 5,5 V;

• Fator de escala: 10 mV/°C;

• Precisão: ±2°C;

• Linearidade: ±0,5°C;

• Faixa de operação: −40°C a +125°C.

• Datasheet: http://dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Sensors/Temp/TMP35_36_37.pdf

Temperatura: TMP35/36/37

Comunicação Serial

Comunicação serial

• Bit: menor unidade de informação -> 0 ou 1;

• Informação é enviada bit a bit, em sequência;

• Síncrona: uma linha de dados e outra de clock:

• Bit: menor unidade de informação -> 0 ou 1;

• Informação é enviada bit a bit, em sequência;

• Assíncrona: apenas uma linha de dados. A

velocidade deve ser definida:

• OK.

• Mas como posso transmitir outras informações

além de “zeros” e “uns”?

• OK.

• Mas como posso transmitir outras informações

além de “zeros” e “uns”?

• Existe uma tabela que relaciona caracteres a

sequências de zeros e uns:

• ASCII (American Standard Code for

Information Interchange).

• Esta tabela criou um padrão para troca de

informações em sistemas binários.

Comunicação Serial no Arduino

• Microcontrolador possui hardware para

comunicação serial:• Pino digital 0 (RX): recepção de dados;

• Pino digital 1 (TX): transmissão de dados;

• Bit 1 = 5V; Bit 0 = 0V;

• A maioria das placas Arduino possui hardware

que converte sinais do padrão serial assíncrono

para USB;

Prática 7: Medindo Temperatura

• Monte o circuito com o sensor de temperatura.

• Escreva um programa que mostre o valor da temperatura na tela do computador a cada 0,5s.

• Exemplo de programa:

void setup() {

Serial.begin(9600);

void loop() {

int sensor = analogRead(A0);

Serial.println(sensor);

delay(500);

Arduino

• A.

http://123d.circuits.io/circuits/155990-pratica-7-medindo-temperatura-sinal-analogico/embed

• Serial.println(analogValue, DEC); //

envia analogValue (int) codificada em

ASCII no formato decimal

• Serial.println(analogValue, HEX); //

envia ASCII no formato hexadecimal

• Serial.println(analogValue, OCT); //

envia ASCII no formato octal

• Serial.println(analogValue, BIN); //

envia ASCII no formato binário

• Serial.available(); // retorna 1 se

houver caracter disponível no buffer de

recepção. Caso contrário, retorna 0.

• Serial.read(); // lê um byte recebido

pela Serial (int)

• Exemplo:

int incomingByte;

if (Serial.available() > 0) {

incomingByte = Serial.read();

Prática 8: Comunicação bidirecional

• Outro exemplo de comunicação serial: desta vez

o Arduino vai receber um dado do computador,

processá-lo e retornar o resultado pela porta

serial.

• Vamos analisar o programa:int i, numero;

void setup() {

Serial.begin(9600);

void loop() {

while (true) {

Serial.print("Entre com um numero: ");

while (Serial.available()==0);

numero = Serial.read();

if (numero>='0' && numero<='9')

Serial.println(numero-’0’);

else {

Serial.println("O valor deve ser numerico!");

continue;

numero-='0';

for (i = 0; i <= 10; i++) {

Serial.print(numero);

Serial.print(" x ");

Serial.print(i);

Serial.print(" = ");

Serial.println(numero*i);

Serial.println("");

Prática 8: Comunicação bidirecional

http://123d.circuits.io/circuits/155997-pratica-8-comunicacao-bidirecional-tabuada/embed

Mais um pouco de Eletrônica

Shift Registers

• Shift registers (ou Registradores de

Deslocamento) são memórias que recebem

uma sequência de bits enviados serialmente e

disponibilizam seus valores de forma

simultânea;

• Muito utilizados em sistemas embarcados

para economizar pinos de E/S dos

microcontroladores;

• CI 74HC595 é um shift register de 8 bits.• Datasheet: http://arduino.cc/en/uploads/Tutorial/595datasheet.pdf

Shift Registers

74HC595

Shift Registers

74HC595

Prática 9: Usando shift register

• Monte o circuito abaixo.

int latchPin = 8; //Pin connected to ST_CP of 74HC595

int clockPin = 12; //Pin connected to SH_CP of 74HC595

int dataPin = 11; //Pin connected to DS of 74HC595

void setup() {

//set pins to output so you can control the shift

register

pinMode(latchPin, OUTPUT);

pinMode(clockPin, OUTPUT);

pinMode(dataPin, OUTPUT);

void loop() {

// count from 0 to 255 and display the number

for (int numberToDisplay = 0; numberToDisplay < 256;

numberToDisplay++) {

// take the latchPin low: LEDs don't change

digitalWrite(latchPin, LOW);

shiftOut(dataPin, clockPin, MSBFIRST,

numberToDisplay);

digitalWrite(latchPin, HIGH); // turn LEDs on

delay(500);

Controle de cargas analógicas

“Simulando” uma tensão analógica

• PWM = Pulse Width Modulation;

• Razão cíclica (duty cycle): define a tensão

média aplicada:

T(PWM) T(PWM) T(PWM)

A1 A2 A3

Tensão média de um sinal PWM

Sinal PWM versus sinal analógico

Controle de potência por PWM

P = V2 / R

analogWrite(11, 200);

cria no pino 11 um sinal

PWM com razão cíclica

igual a 200;

f = 490Hz;

apenas alguns pinos

possuem saída PWM.

Prática 10: Controle de brilho

int brilho = 0; // brilho do LED

int sensor; // valor do LDR

void setup() {

pinMode(A2, INPUT); // pino do LDR: entrada A2

pinMode(13, OUTPUT); // pino do LED: saida 13

Serial.begin(9600);

void loop() {

sensor = analogRead(A2); // le valor do LDR

brilho = map(sensor, 0, 1023, 0, 255);

Serial.println(brilho); // envia ao PC

analogWrite(13, brilho); // aciona LED

delay(100);

Prática 11: Pisca-pisca suave

int brilho = 0; // brilho do LED

int variacao = 5; // quanto varia o brilho

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT);

void loop() {

analogWrite(13, brilho);

brilho = brilho + variacao;

if (brilho == 0 || brilho == 255) {

variacao = -variacao;

delay(30);

Módulo LCD

LCD – Liquid Cristal Display

• Opção prática de apresentar uma grande

quantidade de dados de forma relativamente

simples e barata;

• O módulo é constituído de um display de

cristal líquido (LCD) e de um controlador de

display;

• Existem dois tipos de módulo LCD: caractere

e gráfico.

• Os displays de caracteres são mais baratos e capazes de apresentar caracteres como letras, números e símbolos;

• Sua tela é dividida em linhas e colunas, e cada posição armazena um caractere;

• Não funcionam adequadamente para a apresentação de gráficos.

• Os displays gráficos são mais caros e

complexos de programar;

• Podem apresentar basicamente qualquer tipo de

informação na tela, inclusive gráficos, fotos etc.

100 x 64 pixels 128 x 64 pixels

• Serão abordados neste curso os módulos de caractere baseados no chip controlador Hitachi HD 44780;

• É um chip que é praticamente padrão no segmento de módulos de display LCD;

• Permite um interface simples com microcontroladores.

• Tem largura de barramento de dados selecionável para 4 ou 8 bits;

• São necessárias três linhas de controle adicionais: ENABLE, RS e R/W;

• A comunicação no modo de 4 bits é realizada utilizando apenas as quatro linhas mais significativas (D7 a D4). O byte é dividido em dois nibbles onde o mais significativo é enviado primeiro.

Bit 1 de dados do LCDD18

EnableE6

Read/WriteR/W5

Register SelectRS4

ContrasteVo3

Positivo (5V)Vdd2

TerraVss1

FunçãoNomePino

Catodo do back-light (se existir)K16

Anodo do back-light (se existir)A15

FunçãoNomePino

• O HD 44780 possui as seguintes memórias:

– 80 bytes de memória RAM (DDRAM – Data

Display RAM);

– 64 bytes de RAM para o gerador de

caracteres (CGRAM – Caracter Generator

– 9920 bits de memória ROM (CGROM): 208

caracteres 5x8 ou 32 caracteres 5x10.

• O Arduino possui uma biblioteca para

utilização de LCDs de caractere;

• Após incluir a biblioteca, é necessário

declarar o display informando a que pinos do

Arduino o LCD está conectado;

• Em seguida, deve ser chamada a função de

inicialização, passando como parâmetros o

número de caracteres e de linhas que o LCD

possui.

Prática 12: Dados no LCD

#include <LiquidCrystal.h>

// inicializa bib. informando os pinos conectados:

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

void setup() {

lcd.begin(16, 2); // inicializa o LCD

lcd.print("hello, world!"); // mostra mensagem

void loop() {

// coloca cursor na coluna 0, linha 1:

lcd.setCursor(0, 1);

// mostra numero de segundos desde o reset:

lcd.print(millis()/1000);

delay(100);

• Outras funções interessantes:

lcd.home(); // retorna cursor ao início

lcd.write(char); // imprime um caracter

lcd.blink(); // aciona cursor piscante

lcd.noBlink(); // desliga cursor piscante

lcd.autoscroll(); // ativa deslocamento a esquerda

lcd.noAutoscroll(); // desliga deslocamento

lcd.noDisplay(); // apaga tela (texto na memória)

lcd.display(); // liga tela (exibe caracteres)

lcd.rightToLeft(); // próxima letra à esquerda

lcd.leftToRight(); // próxima letra à direita

lcd.clear(); // limpa a tela

Prática 13: Valor do sensor no LCD

• Modifique o programa anterior para fazer com que a

primeira linha do LCD mostre o valor de temperatura

e a segunda linha mostre um relógio tipo HH:MM:SS.

LCD gráfico 128 x 64 pixels

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2012/01/lcd-para-seu-robo-com-arduino.html

Avançando com Arduino e Sistemas Embarcados

Motores Elétricos

Motor de Corrente Contínua (CC)

• Alimentado em corrente contínua;

• Possui ímã e bobinas internamente;

• Velocidade é ajustada pela tensão de

alimentação (pode ser por PWM!);

• Sentido de giro é alterado pela polaridade.

Motor de Passo

• Alimentado com sinais

digitais;

• Alimentação das

bobinas deve ser

sequencial;

• Permite controle preciso

de posição;

• Torque cai muito com o

aumento da velocidade.

Medição de deslocamento (encoder)

• Permite medir a velocidade e posição angular

dos motores;

• Precisão: número de pulsos por volta.

Servomotor

• É um motor CC que possui um sistema de

interno de medição e de controle:

• angular – controla a posição (giro) do eixo;

• contínuo – controla a velocidade do eixo;

Servomotor

• Normalmente é feito com um motor de

corrente contínua, um circuito eletrônico e

engrenagens para aumentar o torque;

Servomotor

• Três fios: 2 de alimentação e um de controle;

• O sinal de referência (de posição ou

velocidade) é do tipo PWM.

Servomotor

• Três fios: 2 de alimentação e um de controle;

• O sinal de referência (de posição ou

velocidade) é do tipo PWM.

Exemplo: Controle de Servomotores

#include <Servo.h>

Servo myservo; // create servo object

Servo myservo2;

int potpin = 0; // used to connect the potentiometer

int val; // value from the analog pin

void setup() {

myservo.attach(9); // attaches the servo on pin

myservo2.attach(10);

void loop() {

val = analogRead(potpin); // entre 0 e 1023

val = map(val, 0, 1023, 0, 179); // escalona

myservo.write(val);

myservo2.write(179-val);

delay(15);

} Felipe Nascimento Martins

Outros motores com Arduino

• Cada pino do Arduino pode fornecer, no máximo,

40mA de corrente -> pode não ser suficiente para

acionar um motor!

• Solução: usar transistores.

Transistor

• Um transistor pode ser entendido

como uma “válvula” eletrônica: é

capaz de acionar cargas de alta

corrente a partir de um sinal de

controle de baixa corrente.

• Quanto maior for a corrente no pino

de “base” (B), maior será a corrente

entre os pinos “coletor” (C) e “emissor”

• Por exemplo, se a corrente na base

variar de 0 a 0,01 A, a corrente de

coletor pode variar de 0 a 1A!

Exemplo: Motor CC com transistor

• Com um transistor é possível ligar e desligar um

motor, além de controlar sua velocidade (PWM);

• Mas, para inverter o sentido de giro de um motor

CC é necessário inverter o sentido de circulação

da corrente no motor;

• Com um transistor, a corrente circula apenas num

sentido;

• Solução: usar quatro transistores conectados em

forma de ponte: Ponte H.

Ponte H

Ponte H – exemplo

Motor Shield oficial

• Shield oficial para controle de motores: circuito

integrado com ponte H.

Motor Shield

• Pode acionar dois motores CC ou um motor de passo: até 36V, 600mA, 5kHz.

Motor Shield

• Exemplo: controle de velocidade dos motores com o Shield Motor Control:

• Pode acionar quatro

motores CC (46V, 4A) e

uma carga resistiva de até

Motor Shield 4 Power

Conectando Dispositivos

• A maioria das placas Arduino possui hardware

para implementação de comunicação serial em

diferentes padrões:

• SPI – Serial Peripheral Interface;

• TWI – Two Wire serial Interface (I2C);

• USART – Universal Synchronous and

Asynchronous serial Receiver and

Transmitter (estilo RS-232) – Já vimos este

SPI – Serial Peripheral Interface

• SPI – Serial Peripheral Interface – é uma interface de comunicação serial síncrona utilizada para comunicação a curta distância:

• CIs conversores A/D e D/A;

• Memórias Flash e EEPROM;

• Relógios de tempo real;

• Sensores;

• Potenciômetros digitais;

• Telas de LCD; etc.

• Na comunicação SPI sempre existe um dispositivo mestre (em geral é o próprio microcontrolador) que controla os periféricos;

• Três linhas são comuns a todos os dispositivos:

– MISO (Master In Slave Out) – linha pela qual o escravo envia dados ao mestre;

– MOSI (Master Out Slave In) – linha pela qual o mestre envia dados aos escravos;

– SCK (Serial Clock) – clock gerado pelo mestre para sincronizar a comunicação.

• Além das linhas MISO, MOSI e SCK, cada

dispositivo está conectado a uma linha SS:

• SS (Slave Select) – cada escravo possui uma

entrada desta linha, que é controlada pelo

mestre para habilitar ou desabilitar os

dispositivos individualmente:

• Em nível baixo: comunicação habilitada;

• Em nível alto: escravo ignora o mestre.

SPI com vários escravos

SPI com Arduino

• A biblioteca do Arduino faz a placa operar em modo mestre;

• Ordem de transmissão dos dados (primeiro pelo MSB ou pelo LSB): SPI.setBitOrder()

• Linha de clock fica em nível alto ou baixo quando inativa e modo de amostragem de dados: SPI.setDataMode()

• Velocidade de comunicação: SPI.setClockDivider()

Cartão de Memória SD

• A biblioteca “SD.h” provê meios de

utilização de cartões de memória SD com o

Arduino.

• Esse tipo de memória se comunica com o

microcontrolador por SPI.

Alimentação: 3,3V uso de resistores em 5V!

Exemplo: data logger#include <SD.h>

const int chipSelect = 4;

void setup()

Serial.begin(9600);

Serial.print("Initializing SD card...");

pinMode(10, OUTPUT); // chip select

if (!SD.begin(chipSelect)) {

Serial.println("Card failed, or not present");

return;

Serial.println("card initialized.");

Exemplo: data loggervoid loop()

// make a string for assembling the data to log:

String dataString = "";

// read three sensors and append to the string:

for (int analogPin = 0; analogPin < 3; analogPin++) {

int sensor = analogRead(analogPin);

dataString += String(sensor);

if (analogPin < 2) {

dataString += ",";

Exemplo: data logger// open the file. only one file can be open at a time,

File dataFile = SD.open("datalog.txt", FILE_WRITE);

// if the file is available, write to it:

if (dataFile) {

dataFile.println(dataString);

dataFile.close();

// print to the serial port too:

Serial.println(dataString);

// if the file isn't open, pop up an error:

else {

Serial.println("error opening datalog.txt");

TWI – Two Wire serial Interface (I2C)

• I2C (Inter-Integrated Circuit) foi desenvolvido

pela PHILIPS no início da década de 1980 para

transferência de dados entre

microcontroladores e equipamentos;

• Barramento de comunicação serial de dados

entre dispositivos onde a conexão é feita

através de 2 fios;

• É half-duplex, ou seja, em determinado

instante, apenas recebe ou envia informação;

• Taxa de transferência: até 100kbits/s;

• Operação em modo mestre/escravo: um

dispositivo ou processo (mestre) tem controle

unidirecional sobre um ou mais outros

dispositivos (escravos);

• Pode possuir mais de um mestre, mas só um

controla o barramento de cada vez.

I2C• Um fio transporta o sinal do clock (SCL – Serial

Clock Line) e o outro, os dados (DAS - Serial

Data Line);

• A comunicação é síncrona. Primeiro é enviado o

endereço do dispositivo destinatário. Em

seguida, o dado é enviado ao barramento.

TWI (I2C)

• No Arduino a biblioteca Wire possui as funções para implementação da comunicação I2C;

• Esta biblioteca implementa apenas endereçamento de 7 bits;

• Caso use dispositivos que exijam 8 bits de endereçamento, deve-se configurar seu endereço para a faixa 0-127.

TWI (I2C)

Exemplo: Potenciômetro Digital#include <Wire.h>

void setup() {

Wire.begin(); // join i2c (address optional for master)

byte val = 0;

void loop() {

Wire.beginTransmission(44); // transmit to device #44

// device address is specified in datasheet

Wire.write(byte(0x00)); // sends instruction byte

Wire.write(val); // sends potentiometer value byte

Wire.endTransmission(); // stop transmitting

val++; // increment value

if(val == 64) { // if reached 64th position (max)

val = 0; // start over from lowest value

delay(500);

Arduino e NXT via RS-485 e I2C

Arduino Nano

Arduino e NXT via RS-485 e I2C

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2011/08/arduino-conversando-com-nxt-via-rs-485.html

http://nossosrobos.blogspot.com.br/2013/03/comunicacao-ic-entre-lego-nxt-e-arduino.html

Comunicação Serial USART:Meios de Utilização

Comunicação sem-fio

• Wixel shield for Arduino, com dois módulos Wixel;

• Rádio de 2,4GHz para até 30 metros, 350kbps;

• Possui microcontrolador programável por interface amigável;

• Tem 15 pinos de I/O, com 6 entradas analógicas, que podem ser programados de forma independente da comunicação;

• Permite a criação de uma rede com até 128 módulos de comunicação;

• A comunicação é feita como se fosse comunicação serial padrão;

• Permite gravar programas no Arduino sem ligar o cabo USB à placa!

Comunicação sem-fio

http://nossosrobos.blogspot.com.br/2011/12/arduino-wireless.html

Conexão Bluetooth

• Modelo JY-BT03 - Shenzhen Jiayuan Electronic Co. Ltd.;

• Conexão com pinos RX-TX do microcontrolador;

• Comunicação Bluetooth 2.0;

• Baud rate: 2.400 a 1.382.400 bps;

• Tensão de alimentação: 5,0 V (3,6V a 6,0V);

• Corrente: 35mA quando realiza "pareamento"; 8mA quando conectado;

• Antena impressa na própria placa;

• Possui LED que indica o estado da conexão Bluetooth;

• Senha padrão: 1234.

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2012/05/arduino-wireless-parte-ii-via-bluetooth.html

Conexão Bluetooth

Conexão em rede ZigBee

• ZigBee designa um conjunto de especificações

para a comunicação sem-fio entre dispositivos

eletrônicos, com ênfase na baixa potência de

operação, na baixa taxa de transmissão de

dados e no baixo custo de implantação;

• Pode-se formar uma rede com vários módulos,

de maneira que a informação seja transmitida

de um ao seguinte (Mesh) para aumentar o

alcance total.

Módulo XBee – ZigBee

• Módulo Digi XBee ZB - Antena Wire - Low Power

• Frequência de Transm.: 2,4 GHz

• Potência de Transm.: 1,25 mW

• Alcance Máximo estimado: até 120m (+1 dBm)

• Topologias de rede: P-to-P, P-to-M, ZigBee/Mesh

• Sleep Mode < 1µA

• RF Data Rate 250 kbps

• Segurança: 128-bit AES

• (10) GPIO, (4) ADC e 3V3 CMOS UART

Módulo XBee – ZigBee

• XBee e XBee-PRO ZB

• Frequência de Transm.: 2,4 GHz

• Potência de transm.: 63 mW (+18 dBm) / Int'l10 mW (+10 dBm)

• Alcance Máximo estimado: 3200 m

• RF Data Rate: RF 250 kbps, Serial até 1 Mbps

• Segurança: 128-bit AES

• Antena PCB - Ref: PIT

Ethernet Shield

Arduino com MATLAB

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2011/10/arduino-com-matlab.html

Arduino com LabVIEW

Detalhes: http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/pt/nid/209835

http://www.blendedtechnologies.com/realtime-plot-of-arduino-serial-data-using-python/231

Aquisição de dados com Arduino

Controle de um Robô

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2012/09/monte-seu-robo-com-arduino.html

Robôs baseados em Arduino

• DFRobotShop Rover - Arduino

Compatible Tracked Robot

Robôs baseados em Arduino

• DFRobotShop Rover 2.0 – Arduino

Compatible Mecanum

Robô Arduino oficial

• Arduino Robot

Detalhes: http://nossosrobos.blogspot.com.br/2013/07/arduino-robot-o-primeiro-robo-arduino.html

Softwares gratuitos

• IDE de programação do Arduino:

www.arduino.cc

• Fritzing - para fazer esquemas elétricos, de

proto-board e placas de circuito impresso:

www.fritzing.org

• 123D Circuits.io - para simulação de circuitos

com ou sem Arduino e projeto de placas de

circuito impresso (roda no navegador):

http://123d.circuits.io

Referências

• ARDUINO. Language Reference. Disponível em:

<http://arduino.cc/en/Reference/HomePage>. MAR/2014.

• ERIKSSON, Fredrik. Industrial Circuits Application Note - Stepper

Motor Basics.

• FONSECA, Érika e BEPPU, Mathyan. Apostila Arduino. CT/UFF, 2010.

• JUSTEN, Álvaro. Curso de Arduino (apostila), 2011.

• LIMA, Charles B. de; VILLAÇA, Marco V. M. AVR e Arduino – Técnicas

de Projeto. 2ª ed. 2012.

• MARTINS, Felipe N. Introdução à Eletrônica com Arduino. Disponível

em: <http://www.slideshare.net/felipenm/oficina-de-introduo-a-eletrnica-

com-arduino>.

• Nossos Robôs: www.nossosrobos.blogspot.com

• POMÍLIO, J.A. Eletrônica de Potência. UNICAMP (apostila para o

curso de graduação). Acesso em AGO/2010.

• http://www.labdegaragem.com.br/wiki

• http://www.learningaboutelectronics.com/

• VALPEREIRO, Filipe. Workshop Arduino, 2008.

Obrigado!

Felipe N. Martins

@f_n_martinswww.facebook.com/felipenm

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