Arduino Hack Day

• Evento promovido por entusiastas, universidades e empresas

• Colaborativo e participativo

• Informações técnicas e troca de experiências

• Elétron Livre apoia a iniciativa emprestando materiais, cedendo direito de uso de slides e ajudando na preparação geral do evento

• PROMOVA VOCÊ TAMBÉM UM ARDUINO HACK DAY!

Sobre este Arduino Hack Day…

• Javaneiros Edition

• Organizado pelo Jeff - empresa Jera

• Agradecimentos ao apoio da faculdade e prof. Bob

Agenda Padrão

• Introdução a Arduino

• Controlando tomadas pela Internet

• Controle de motores com Arduino

• Introdução a robótica

Introdução ao Arduino

• Plataforma baseada em Atmel da AVR (ATMega168);

• Oferece um IDE e bibliotecas de programação de alto nível;

• Open-source hardware e software

• Ampla comunidade

• Programado em C/C++

• Transferência de firmware

via USB

• MCU com bootloader

Histórico do Arduino

• Projeto criado na Itália pelo Mássimo Banzi no Interaction Design Institute Ivrea;

• Nasceu para complementar o aprendizado de programação, computação física e gráfica;

• Nasceu do Processing e Wiring;

• Processing é um ambiente e linguagem de programação para criar imagens, animação e interação;

Simplicidade no circuito:

Muitas aplicações práticas

• Robôs

• Roupas eletrônicas

• Máquinas de corte e modelagem 3D de baixo custo;

• Segway open-source

• Desenvolvimento de celulares customizados

• Instrumentos musicais

• Paredes interativas

• Instrumentação humana

• Circuit bending

Vários tipos, vários fabricantes...

• Mega

• Lilypad

• Nano

• Uno

• Pro

• Arduino BT

• Freeduino

• Severino

• Program-ME

Atmega168 / Atmega328: coração

• Características do ATmega 168:

• RISC

• 20 MIPS (20 Milhões de instruções por segundo)

• 16Kb Flash / 512 b EEPROM / 1Kb RAM Estática

• 10.000 ciclos na Flash e 100.000 na EEPROM

• 2 contadores / temporizadores de 8bits

• 1 contador / temporizador de 16bits

• 1 temporizador de tempo real com clock a parte

• 14 portas digitais

• 6 portas analógicas

Características técnicas

• 6 canais PWM

• 6 conversores analógico/digital de 10 bits

• 1 serial programável (USART)

• 1 interface SPI (Serial Peripheral Interface)

• 1 interface serial a 2 fios (I2C)

• 1 watch dog timer programável

• 1 comparador analógico no chip

• Interrupção ou wake-up na alteração de estado dos pinos

Resumo das conexões da placa

Conector USB

Alimentação externa: Até 12 volts

Regular 7085: Recebe até 12 volts e regula para 5 volts

FT232RL Conversor USB-Serial

ICSP Para gravar bootloader ou programas/firmware

AtMega328 /168/8

Botão de reset

Portas digitais 0 a 13 0 RX 1 TX = usada durante transferência de sketch e comunicação serial com placa 2,4,7,8,12,13 = portas digitais convêncionais 3,5,6,9,10,11 = portas PWM

GND AREF Referência analógica Padrão 5 volts

Portas analógicas de 0 a 5 Podem funcionar como digitais de 14 a 19

VIN Alimentação de entrada sem regulagem

GND 5 volts

3.3 volts

Reset

Portas analógicas 4 e 5 São as portas utilizadas para conexões via I2C / TWI.

Shields: arquitetura modular inteligente

• Arduino estabeleceu um padrão de pinagem que é respeitado por diversas placas shield:

Por dentro do MCU

Porta Digital Vs. Analógica

• Digital: trabalha com 0 e 1 na lógica binária.

– Digital do Arduino segue padrão TTL onde:

• 0 a 0,8 volts = 0

• 2 a 5 volts = 1

• Analógica: valor lido é análogo a tensão.

– Referência de analogia é 5 volts

• 0 volts = 0

• 2.5 volts= 512

• 5 volts = 1023

– Conversor A/D de 10 bits: 0 a 1023

Porta Digital Vs. Analógica

• Portas analógicas expressam valores de 0 a 1023 mas não são utilizadas para transferência de informações precisas

• As portas digitais permitem que dados sejam tranferidos em sequencia através de uma lógica ou protocolo binário

• Portas digitais não conseguem comandar potência

Porta PWM

• Uma porta híbrida: digital porém com modularização de zeros e uns de forma que consegue expressar uma idéia de potência;

Na prática

• Ligamos componentes em portas digitais comuns, pwm ou analógica

• Fazemos leitura e escrita nestas portas afim de obter um dado ou um determinado comportamento

• Processamos os dados no microcontrolador

• Alguns exemplos de componentes...

Ping – Sensor de distância ultrasonico

Bússula

Bússola

LCD Touch

Shield LCD Touch screen

SIM Reader

SIM Reader

Wave Shield

XBee

Lojas de componentes

www.parallax.com

www.sparkfun.com

• www.makershed.com

• www.liquidware.com

• www.ladyada.net

• www.adafruit.com

Programando para Arduino

• IDE pode ser baixada de www.arduino.cc

• A IDE foi desenvolvida com Java, portanto precisaremos de um máquina virtual 1.5 ou 1.6 instalada

• Funciona em Windows. Mac OS X e Linux (em alguns windows e mac pode ser necessário colocar driver)

• Utiliza GCC + GCC Avr para compilação

(você pode também programar diretamente com GCC!)

• A transferência para a placa é feita via USB pelo IDE;

(mas também pode ser feita com gravadores ICSP!)

Partes básicas do programa Arduino

• Temos que obrigatoriamente programar dois métodos:

void setup() {

}

void loop() {

}

• O setup é executado úma só vez assim que a placa for ligada e o loop terá o código de execução infinita

Portas digitais e analógicas

• Na prática ligamos componentes em portas digitais e analógicas e através do código Arduino, manipulamos as portas:

– pinMode(<porta>, <modo>): configura uma porta digital para ser lida ou para enviarmos dados;

– digitalWrite(<porta>, 0 ou 1): envia 0 ou 1 para porta digital

– digitalRead(<porta>): retorna um 0 ou 1 lido da porta

– analogRead(<porta>): retorna de 0 a 1023 com o valor da porta analógica

– analogWrite(<porta>, <valor>): escreve em uma porta PWM um valor de 0 a 255

Exemplo “pisca led” com Arduino

Esta conexão é bem simples somente para efeito de teste para piscar o led. O correto é ligar um resistor usando uma protoboard.

Exemplo “pisca led”

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output

}

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE

delay(500);

digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE

delay(500);

}

LDR no Arduino sem protoboard

Exemplo “luz ambiente”

void setup() {

//Inicializando conexão com PC via FT232 - cabo

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int luz = analogRead(5); //LDR ligado na 5

//envia informações para o PC

Serial.println(luz);

delay(500);

}

DEMO

• Apresentação básica do Arduino IDE:

– Compilação;

– Samples;

– Upload;

– Dicas

Program-ME: Arduino turbinado nacional

Ligando componentes

Jumpers são utilizados para ligar ou desligar os componentes on-board Se todos os jumpers forem retirados, todas as portas são liberadas deixando o Program-ME funcionando como um Arduino. Você pode escolher o que ligar!

• Com o mapa de portas documentado a seguir, conseguimos saber qual jumper habilita qual componente e em qual porta

Mapa de portas Vs. componentes

Código Porta Componente

L1 14 (igual analógica 0) Led

L2 Digital 1 Led

L3 Digital 2 Led

L4 Digital 3 Led

L5 Digital 4 Led

L6 Digital 5 Led

L7 Digital 8 Led

L8 Digital 6 Led

L9 Digital 13 Led

C1 Analógica 5 LDR

Mapa de portas Vs. componentes

Código Porta Componente

Q2 Digital 7 Led

Q3 Digital 6 Led

Q4 Digital 18 Led

Q5 Digital 17 Led

Chv1 Digital 0 Chave microswitch / botão

Spk Digital 12 Speaker

Servo-1 Digital 10 Entrada servo-1

Servo-2 Digital 11 Entrada servo-2

JP7 Analógica 1 Entrada analógica / potenciômetro

JP6 Analógica 2 Entrada analógica / potenciômetro

Selecionando alimentação

• O Program-ME possui um jumper para seleção de alimentação USB ou fonte externa

• Toda vez que ligar componentes que possam consumir mais que 500ma, devemos alimentar com fonte externa!

• Durante os laboratórios de motores e relés lembre-se de mudar este jumper e alimentar com fonte externa

Selecionando alimentação

Jumper Seleção Externo ou USB

Lab 1: primeiro contato com Program-ME / Arduino

• Ligar sua placa no cabo USB e no PC

• Verificar o jumper de alimentação configurando para USB se necessário

• Digitar o código a seguir no Arduino IDE

• Clicar no botão de transferência de sketch

Lab 1:Exemplo “pisca led”

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output

}

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE

delay(500);

digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE

delay(500);

}

Lab 2 “luz ambiente”

void setup() {

//Inicializando conexão com PC via FT232 - cabo

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int luz = analogRead(5); //LDR ligado na 5

//envia informações para o PC

Serial.println(luz);

delay(500);

}

Lab 3: desafio - luz ambiente e leds

Os leds de 1 a 9 Program-Me estão ligados nas portas

14,1,2,3,4,5,8,6,13.

Crie um programa que quanto menor a luz do ambiente

mais leds ele acende e apaga em sequencia.

Lab 4: hummm...

Ligue e desligue a porta 12 com diferentes

intervalos de tempo...

Resumindo...

• Arduino é um projeto simples, popular e acessível

• Eletrônica e programação embarcada alto nível

• Na prática ligamos componentes nas portas analógicas e digitais e escrevemos programas que usam as portas

• Existem diversas bibliotecas que encapsulam a lógica de comunicação digital ou analógica: servo, motor de passo, Android, display LCD

• Ter portas digitais analógicas e pmw é um grande valor do microcontrolador utilizado

• A transfêrencia via USB e a ferramenta / IDE para programação funcionam em múltiplas plataformas

• Open-source Hardware e Open-source software

Tomadas com Arduino

Ligando uma tomada no Arduino, como?

• Qualquer mínimo contato de um fio 110 no Arduino seria capaz de um show pirotécnico

• Isso acontece porque as portas digitais do Arduino funcionam com 5v de conta continua e tomadas 110 e 220 trabalham com corrente alternada

• Mas porque tomadas (e a energia de uma residencia) trabalha com corrente alternada e não contina?

– A transmissão da energia com corrente continua para longa distancias é inviável!

Relé como ponte entre Arduino e AC

• O meio de conexão entre seu Arduino e uma tomada pode ser um relé

• Um relé é um interruptor eletromagnético que quando conduzimos corrente o interruptor fecha um determinado contato

• Esses contatos podem estar normalmente abertos (desconectados) ou normalmente fechados (conectados)

• Siglas NO NC em ingles ou NA NF em portugues

Como funciona um Relé

Mas... Como ligar um relé no Arduino?

• O Arduino (le-se Atmega) é um controlador de baixo consumo

• Suas portas digitais não fornecem mais de 40ma de corrente

• Para acionar o mecanismo eletromagnético da bobina do relé é necessário mais de 40ma de corrente

• Por este motivo precisamos ligar um transistor entre o Arduino e o relé

• Para ligar um Arduino no relé precisamos de um transistor, a menos que o relé seja muito pequeno

E é só isso?

• Um fenômeno físico acontece em todo mecanismo eletromagnético quando é desenergizado

• É conhecido como tensão reversa

• Assim que tiramos a energia de um algo eletromagnético recebemos de volta um “choque”

• Com Arduino ligado em transistor que aciona o relé, o choque seria recebido pelo transistor

• Isso poderia ser fatal para o transistor!

• Usamos um diodo (componente que só deixa a corrente passar em um sentido) para proteger o transistor

• O diodo deve ser colocado em paralelo com o mecanismo

Placa Tomad@

R1 e R2 = resistor 1k – para os transistores R3 e R4 = resistor 330R – para os leds D1 e D2 = diodo IN4007 Led1 e Led2 = led on / off Fusível 1 e Fusível 2 = proteção T1 e T2 = transistor para acionar bobina do relê Relê 1 e Relê 2 Bornes para encaixe dos fios de acionamento da saída do contato do relê

Conectando seu Program-Me na placa Tomad@

Hacking Class Ligando a placa na tomada

Devemos romper o fio de uma das fases; Cortamos o fio e vamos ligar cada uma das pontas em um dos bornes da placa

void setup() { pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(3, LOW); digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); digitalWrite(3, HIGH); delay(1000); }

1. Computador conectado na Web com servidor Java recebe request HTTP com solicitação para acionar a tomada

2. Este servidor web terá uma placa Arduino ligada permanentemente. O servlet (ou equiv) vai acionar a placa via comunicação serial RS-232.

3. Para controlar as tomadas, vamos ligar a placa Tomad@ no Arduino. Essa placa possui um par de relês que podem ser ligados em uma tomada e acionados on / off através de sinal digital 0 ou 1

4. Vamos ligar uma tomada no relê da nossa placa ou então um aparelho qualquer.

void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { if(Serial.available() >0) { int incoming=Serial.read(); Serial.println("Recebendo dados"); Serial.println(incoming, DEC); acionarRele(incoming);// seu protocolo } }

void acionarRele(int codigo) { if(codigo=65) { Serial.println("HIGH no rele 1"); digitalWrite(3, HIGH); } else if(codigo=66) { Serial.println("LOW no rele 1"); digitalWrite(3, LOW); } else if(codigo=67) { Serial.println("HIGH no rele 2"); digitalWrite(2, HIGH); } else if(codigo=68) { Serial.println("LOW no rele 2"); digitalWrite(2, LOW); } }

response.setContentType("text/html;charset=UTF-8"); PrintWriter out = response.getWriter();

try {

byte[] dados = new byte[1];

dados[0] =

Byte.parseByte(request.getParameter("rele"));

try {

Arduino.enviar(dados);

...

outputStream = serialPort.getOutputStream();

serialPort.setSerialPortParams(9600,

SerialPort.DATABITS_8,

SerialPort.STOPBITS_1,

SerialPort.PARITY_NONE);

serialPort.notifyOnOutputEmpty(true);

outputStream.write(bytes);

serialPort.close();

Vamos praticar?

• Com base nos slides, conecte a placa tomada no Program-ME e escreva um programa para chavear o relé

• Ao finalizar crie uma lógica com sensor de luz e relé

• Opcional: criar um programa Web usando RXTX

Motores com Arduino

Tipos de motores

• Podemos qualificar motores em:

– Velocidade de rotação / RPM

– Força

– Precisão

• Redutores são utilizados para transformar rotação em força

• 3 principais tipos motores:

– Motor DC / CC: velocidade

– Servo-motor: precisão (e força!)

– Motor de passo: precisão e força (+ difícil)

Motor DC (com redução)

Motor DC

• Motor simples para comandar que pode ter alta velocidade ou torque (conforme redução)

• Não tem precisão angular

• Podemos controlar a potência com PWM

• Assim como relé precisamos ligar em um transistor com diodo de proteção

• Para inverter a direção da rotação temos que inverter a polaridade

• DEMO: motor na bateria e direção

Motor DC com Arduino em Protoboard

Motor DC no Program-ME

• Podemos usar o transistor Q3 (porta digital PWM 6)

• Ligamos o + no 12v e o – no borne do transistor

Motor DC no Program-ME

Exemplo de código

#define Q3 6

void setup() {}

void loop() {

for(int x=0;x<255;x++) {

analogWrite(Q3, x);

delay(20);

}

for(int x=255;x>0;x--) {

analogWrite(Q3, x);

delay(20);

}

}

Vamos praticar?

• Com base nos exemplos fornecidos e modelo de conexão, utilize o motor DC disponível com a placa controladora fornecida

• Nunca faça conexões com a placa ligada!

• Revise o circuito!!

Servo

• Motor com precisão angular

• Fácil comando

• É um motor + redução + driver!

• Por padrão virar apenas de 0 a 180 graus

• Podemos hackear ou comprar servos full-rotation

• Conexão super simples: GND 5v sinal digital

No Program-ME temos duas entradas

Padrões de conexão dos Servos

Outra diferença está na conexão mecânica do eixo do servo, que no Hitec tem 24 dentes e no Futaba 25.

Program-ME & Servo

Servo + LDR com Program-ME

#include <Servo.h>

Servo myservo;

void setup()

{

myservo.attach(10);

}

void loop()

{

int val = map(analogRead(5),0,1023,0,179);

myservo.write(val);

delay(15);

}

Vamos praticar?

• Ligar o servo na entada servo-1, o marrom (GND), deve estar para o lado do USB

• Digitar o código apresentado anteriormente

Robótica com Arduino

A palavra robô vem de robot que foi utilizada em uma peça de teatro de 1920, chamada R.U.R. (Rossum's Universal Robots), do tcheco Karel Capek. Aparentemente a palavra descende de ROBOTA, que em checo significa trabalho servil ou trabalho pesado.

Uma definição mais realista de robô, seria que ele é um manipulador reprogramável e multi-funcional projetado para mover materiais, partes, ferramentas ou dispositivos especializados através de movimentos variáveis programados para desempenhar uma variedade de tarefas.

Podemos fazer um paralelo entre os robôs e os seres humanos baseados em 3 aspectos distintos:

• Sentidos

• Pensamentos

• Ações

Nos seres humanos, iniciando pelos seus sentidos, temos um caminho que passa pelo tratamento do pensamento e termina ou resulta em ações.

Podemos usar essa mesma linha de análise para os robôs, porém, substituindo a nomenclatura por outra mais adequada:

• Sentidos - > Sensores

• Pensamentos - > Processamento

• Ações - > Atuadores

Dessa forma, um robô aciona seus atuadores, baseado em seu processamento que teve como entrada os dados vindos de seus sensores.

Todos os robôs têm em comum a realização de algum tipo de movimento sendo que também podemos distinguir os robôs pela sua capacidade de processamento, sendo assim poderíamos classificar os robôs como:

Robô “inteligente” pode se mover de forma autônoma e segura por um ambiente não preparado e atingir um objetivo ou efetivar uma tarefa.

Robô não “inteligente” deve repetir de forma confiável a mesma tarefa para que foi programado, porém sem enfrentar variações no ambiente ou situações. Nesse caso, a definição fica mais próxima de automação e pode distinguir entre um robô e uma máquina de lavar.

De uma forma geral temos os seguintes tipos de robôs:

• Manipuladores ou braços robóticos;

• Robôs móveis com rodas;

• Robôs móveis com pernas;

• Humanóides

Manipuladores ou braço robótico • Atualmente, a maior aplicação de

robôs é na área industrial, principalmente na produção de bens de consumo.

• Nessa área, o tipo mais popularmente conhecido de robô é o braço robótico:

Robô cartesiano ou gantry

Robôs móveis com rodas

Robôs móveis com pernas

• Hexapod: robô baseado em insetos

Robôs humanóides

• Entre os robôs humanóides, o mais conhecido é o da Honda

Exemplos de robôs com papelão e PCI

Madeira

Compensado / MDF: talvez o material mais fácil de trabalhar e muito acessível. É isolante, o que diminui a preocupação com a montagem. Pode ser colada e furada com facilidade. O inconveniente é a sua relação peso / resistência.

Duratex: muito fácil de ser trabalhado, pode ser usado em alguns casos, porém, é muito flexível para ser usado como chassi de robôs maiores.

Exemplos de robôs com madeira

Exemplos de robôs com plástico

Como controlar dois motores?

• Utilizando um circuito integrado auxiliar podemos controlar 2 motores

• O circuito proposto permite o controle de dois motores

• O circuito permite a inversão de polaridade, que no caso de motor DC, nos permite avançar e retroceder

• A solução pode ser feita com transistores em ponte H

• Podemos usar um circuito de ponte H pronto

Visão do circuito integrado

Conexão motores

Definindo portas

#define MOTOR1_P 12

#define MOTOR1_N 11

#define MOTOR1_PWM 5

#define MOTOR2_P 8

#define MOTOR2_N 7

#define MOTOR2_PWM 6

Comando para avançar ou retroceder

void andarFrente(int tempo, int intensidade) {

sentido = 0;

analogWrite(MOTOR1_PWM,intensidade*50);

analogWrite(MOTOR2_PWM,intensidade*50);

digitalWrite(MOTOR1_P,sentido);

digitalWrite(MOTOR1_N,!sentido);

digitalWrite(MOTOR2_P,sentido);

digitalWrite(MOTOR2_N,!sentido);

delay(tempo);

}

Vamos praticar?

• DOJO?

• Ponte H?

• 3-shield?