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

Instituto de Inovação com TIC

[ Dezembro/2010 ]

introdução ao arduino

Tiago Barros|[email protected]

Inovação é a gente!

2

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

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• 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

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• 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

6


como vemos oscomputadores?

7


• teclado

• mouse

• monitor

• CPU

• caixas de som

como vemos os computadores?

8


como os computadores nos veem?

9


• dedos [teclado/mouse]

• olho [monitor]

• duas orelhas [caixas de som]

reflexo das entradas e saídas do computador

como os computadores nos veem?

10


“mudar a forma que os computadores nos

veem mudará como eles interagem

conosco”Tom Igoe – Physical Computing


[ Dezembro/2010 ]

conceitos básicos de eletricidade

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eletricidade

eletricidade - interação entre partículas atômicas

universo formado de átomos

partículas atômicas:

prótons: cargas positivas

elétrons: cargas negativas

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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”

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eletricidade

cargas iguais se repelem

cargas opostas se atraem

cargas em movimento geram campo magnético

campo magnético em movimento gera corrente elétrica

NS

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eletricidade – condutores e isolantes

isolante – evita a passagem de elétrons

condutor – permite o fluxo de elétrons

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eletricidade – diferença de potencial (v)

cargas negativas

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

diferença de potencial ou tensão.

cargas positivas

V

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eletricidade – corrente elétrica (i)

quanto maior a corrente, maior a “quantidade” de

elétrons

fluxo de elétrons em um condutor

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eletricidade – tipos de corrente elétrica

corrente contínua

corrente alternada

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eletricidade – tipos de corrente elétrica

inversão de polaridade no tempo

mesma polaridade no tempo (sentido continuo)

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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)

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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)

V

R I R = V/I

I = V/R

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eletricidade – circuito elétrico

+

–

V

i

Rgerador[fonte]

condutor[caminho]

carga[consumidor]

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e agora, computação..

.


[ Dezembro/2010 ]

sistemas computacionais reativos

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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

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plataforma arduino

• microcontrolador Atmel

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

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

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plataforma arduino - hardware

Duemilanovemini

lilypad

boarduino

paperduino megapro

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plataforma arduino - hardware

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

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

• velocidade de processamento: 16MHz

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plataforma arduino – hardware

31

plataforma arduino - instalação

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

• software é só descompactar e executar

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plataforma arduino - instalação

• Selecionando a placa e a porta serial

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plataforma arduino – ambiente

área de código

área de status e saída serial

compilar (verif. programa)

parar execução

novo

abrir

salvar

enviar programa para placa

exibir serial

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plataforma arduino – ciclo de vida

escrever

compilar

enviar para placa

verificar execução

corrigir erros

corrigir erros


[ Dezembro/2010 ]

atuadores

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plataforma arduino – estrutura do sketch

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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

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• Exemplos

• pinMode(num_do_pino, OUTPUT);

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

• delay(milisegundos);

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• 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

40

atividade prática!

41

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 :-)

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plataforma arduino – hello arduino

43

Perguntas

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• comandos básicos

• analogWrite() – escreve um valor analógico no pino

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

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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

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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;

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• for

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

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

48

mais prática!

49

eletrônica – protoboard

• antes disso: • Protoboard

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eletrônica – protoboard

• jumpers

51

antes dissomais um pouco de eletrônica...

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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

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eletrônica – resistores

valores expressos em ohms

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

54

agora sim, prática!

55

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

56

prática

• circuito

Figura retirada de http://arduino.cc/

57

prática

• esquemático


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prática

• protoboard

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

59

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

60

Perguntas


[ Dezembro/2010 ]

sensores

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sensores – chave (switch/button)

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

esquemático

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

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

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

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

}

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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)

66

atividade prática!

67

sensores - prática

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

68

sensores - prática

• esquemático


69

sensores - prática

• protoboard


70

sensores - prática

71

atividade prática!

72

sensores - prática

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

73

Perguntas

74

voltando à eletrônica...

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eletrônica – sinais analógicos e digitais

sinal com variação contínua no tempo

sinal com variação discreta (valores pré-definidos)

76

eletrônica – conversão de sinais

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

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

78


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

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eletrônica - resistores

• Como funciona um resistor variável?

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

80

atividade prática!

81

sensores analógicos – prática

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

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• esquemático


83


• circuito


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entrada analógica – prática


[ Dezembro/2010 ]

protocolos de comunicação

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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

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• o arduino possui uma biblioteca que implementa comunicação serial

• Serial.begin();

• Serial.print();

• Serial.read();

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• Leds• TX: dados

enviados para o PC

• RX: dados recebidos do PC

89

•atividade prática!

90

comunicação serial - prática

“Hello Arduino” via serial

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92

eletrônica – resistores LDR

• resistor variável sensível à luz

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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

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95


ler valores do LDR e enviar via serial

96

atividade prática!

97

entrada analógica – prática

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

98

Perguntas

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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

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sensores sonoros

• circuito para amplificar o sinal do microfone para o arduino

101

sensores sonoros

• já temos o circuito pronto!

102


103

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).

104

Perguntas

105

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

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atuadores sonoros

• Buzzer piezoelétrico• 2 fios: preto é

negativo e vermelho é positivo

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

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108

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

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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

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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

período

1 segundo

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• 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; }

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• 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];

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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 };

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• 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); }}

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

• cdef ff cdcd dd cgfe ee cdef ff

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Perguntas


[ Dezembro/2010 ]

displays

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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

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122

displays de LEDs - prática

temporizador digital

123

displays de LEDs - prática

temporizador digital - protoboard

124

Perguntas

125

prática final de hoje – luzes e sons

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

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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

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

Education