Curso de Formação Profissional Técnico em

Eletroeletrônica – Módulo II

Senai Arcos-MG

CFP Eliezer Vitorino Costa

Raphael Roberto Ribeiro Silva

Técnico em eletroeletrônica pelo INPA – Arcos

Estudante de Engenharia Elétrica do IFMG - Formiga

Projeto de Sistemas

Eletrônicos

MicrocontroladoresSão circuitos integrados que possuem internamente vários recursos, como:

conversores A/D, circuito PWM, memória RAM e EEPROM, comunicação

RS232, USB, entre outras, de acordo com o modelo do microcontrolador.

1 – Arquitetura Interna de um Microcontrolador

Um microcontrolador é constituído internamente por diversos circuitos que

oferecem aos projetistas recursos que facilitam o desenvolvimento de um

projeto. Assim, é com base nesses recursos internos, que optamos pela

escolha de um ou de outro microcontrolador.

Existem uma infinidade de microcontroladores disponíveis no mercado,

para se dimensionar um microcontrolador devemos começar pensando no

custo e tamanho físico do mesmo.

MicrocontroladoresPor exemplo, para um circuito onde se deseja monitorar um teclado e

acionar um relé, basta um microcontrolador com saídas digitais, pois possui um

custo menor que um microcontrolador com mais recursos internos. Outro

exemplo é se a ideia for o controle de potencia de uma lâmpada por PWM e

dois botões, um para aumentar e outro para diminuir sua intensidade luminosa,

um microcontrolador com apenas três I/O (input/output) será suficiente, pois o

PWM poderá ser feito por software.

Se quisermos controlar um motor por PWM, monitorar sua velocidade em

um display de cristal liquido e ajustar sua velocidade automaticamente, de

acordo com a carga aplicada ao seu eixo, será preciso um microcontrolador

com mais recursos internos, tais como comparador analógico, PWM interno e

I/O’s em quantidade maior, para a interligação dos botões de comando e do

display.

MicrocontroladoresO custo de um microcontrolador também esta relacionado aos tipos de

memorias que ele possui internamente:

a) Memória flash ou OTP, que armazena as instruções a serem executadas

pelo microcontrolador;

b) Memória RAM, que armazena as variáveis do sistema; ou

c) Memória EEPROM, que guarda informações necessárias ao

funcionamento de um microcontrolador, quando ele for desligado.

MicrocontroladoresMemória flash: Tipo de EEPROM (programmable read-only memory) ou

memória de leitura/escrita programável e apagável eletricamente em que os

dados podem ser gravados ou apagados em blocos.

Memória OTP (onetime programmable): Memória tipo PROM (programmable

read-only memory) ou memoria apenas de leitura programável. Essa memoria

é gravada uma única vez.

Memória RAM (random access memory) ou memória de acesso aleatório:

Permite a leitura e a gravação de dados. Porem, quando a energia elétrica é

desligada, esses dados são perdidos.

MicrocontroladoresMicrocontroladores com menos recursos internos e menos pinos de I/O

são menores fisicamente e tem um custo bem menor em relação aos

microcontroladores com mais recursos internos e com uma quantidade maior

de I/O.

Abaixo temos dois microcontroladores com recursos diferentes:

PIC10F200, que não possui memória EEPROM, tem quatro pinos de I/O e

apenas um timer de 8 bits; e o 16F628A, que possui, dentre muitos outros

recursos, 16 pinos de I/O, dois timers de 8 bits e um de 16 bits, um periférico

de comunicação USART, dois comparadores e uma EEPROM de 128 bytes.

Microcontroladores2 – Entradas e Saídas

Os microcontroladores possuem terminais que podem funcionar como

entrada ou como saída (I/O). Esses terminais são agrupados em conjunto de 8

pinos e designados por Ports. Dependendo do modelo, o microcontrolador

pode ter de 4 a mais de 30 terminais de entrada e saída.

O microcontrolador 8051 possui 32 terminais de entrada e saída divididos

em 4 Ports (P0, P1, P2 e P3). É por meio desses pinos que são enviadas as

informações para que o microcontrolador possa processa-las e também enviar

informações ou sinais para acionar uma carga ou sinais de controle.

As entradas e saídas podem ser do tipo digital e/ou analógica e o nível de

tensão aplicado esta diretamente ligado ao nível de tensão de alimentação do

microcontrolador.

Microcontroladores

Microcontroladores2.1 – Entradas e Saídas Digitais

Os microcontroladores podem apresentar duas configurações diferentes

para seus terminais de entrada e saída: configuração em coletor aberto ou

configuração TTL.

Na configuração em coletor aberto, os microcontroladores podem ter

internamente resistores pull-up, que são conectados aos terminais, durante a

programação inicial do microcontrolador, simplificando o hardware.

Resistor de pull-up: resistor ligado entre o +Vcc e o terminal de saída de um

circuito integrado para forçar um nível logico alto a esse terminal.

Microcontroladores

Em “A”, temos a configuração em coletor aberto. Observe que o dreno do

tansistor não está conectado ao positivo da fonte (+Vcc). Desse modo, o pino

38 do microcontrolador não fornece nível logico alto.

MicrocontroladoresEm “B”, o microcontrolador possui internamente um resistor pull-up (R) que

pode ser conectado ao coletor do transistor por meio da chave S via

programação.

E em “C”, temos a configuração TTL, em que o transistor T1, ao ser

ativado, envia nível logico alto a saída (pino 38) e o transistor T2, ao ser

ativado, envia nível logico baixo a saída do microcontrolador.

Microcontroladores

Para sabermos o valor de R2, que é o resistor de pull-up, precisamos consultar o

Datasheet do microcontrolador, pois ele depende das características de cada

microcontrolador.

MicrocontroladoresEsquema de ligação de uma tecla a um microcontrolador.

MicrocontroladoresEsquema de ligação de uma tecla a um microcontrolador.

Microcontroladores2.2 – Entradas e Saídas Analógicas

Para tratar sinais analógicos, alguns microcontroladores possuem

conversores internos. Assim, os terminais de entrada recebem o sinal

analógico e o microcontrolador o transforma em uma informação digital para

processamento por meio de conversores A/D. no processo oposto, o sinal

digital é convertido em sinal analógico pelos conversores D/A e é aplicado a

um terminal de saído do microcontrolador.

MicrocontroladoresOs conversores internos do microcontrolador apresentam uma

característica chamada resolução. A resolução de um conversor é a menor

diferença de tensão detectada pela entrada ou fornecida pela saída e pode ser

determinada por:

𝑟𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢çã𝑜 =𝑉𝑟𝑒𝑓

2𝑛

Onde:

𝑉𝑟𝑒𝑓 é uma tensão de referencia dada ao microcontrolador;

n é o numero de bits do conversor.

Assim sendo, microcontroladores de 10 bits possuem uma resolução

melhor do que microcontroladores de 8 bits.

Exercícios1 – Calcule a resolução de um microcontrolador de 8 bits com tensão de

referencia de 5 V.

2 – Calcule a resolução de um microcontrolador de 10 bits com tensão de

referencia de 5 V.

3 – Calcule a resolução de um microcontrolador de 10 bits com tensão de

referencia de 9 V.

MicrocontroladoresResumindo, em um projeto utilizando esse recurso interno dos

microcontroladores, a precisão no processo de conversão A/D do

microcontrolador irá depender dos números de bits dos seus conversores.

Assim, em uma balança eletrônica digital, por exemplo, um conversor de

10 bits irá apresentar um erro menor em relação a um conversor de 8 bits.

Microcontroladores3 – Circuito Oscilador

A maioria dos microcontroladores possui internamente um circuito

oscilador. Assim, é necessário apenas acrescentar alguns componentes

externos para que esse oscilador comece a funcionar.

Nas aplicações em que a frequência não é um fator importante, por

exemplo, no controle de temperatura em uma resistência, podem ser utilizados

apenas um resistor e um capacitor, circuito RC, para gerar os pulsos de clock.

Já nas aplicações em que precisamos obter uma frequência de trabalho mais

precisa, por exemplo, no controle de consumo de combustível em função da

velocidade de um carro, devemos usar um cristal ou um ressonador

juntamente com dois capacitores ligados ao negativo da fonte de alimentação.

MicrocontroladoresAlguns modelos de ressonadores já possuem esses capacitores

internamente e, sendo assim, eles contem três terminais, de modo que o

terminal central deve ser ligada ao negativo da fonte de alimentação.

Microcontroladores4 – Circuito Power-On-Reset

Para garantir que o contador de programa comece no endereço inicial, ao

ligar o microcontrolador, um circuito denominado power-on-reset gera um sinal

em nível logico baixo, por alguns milissegundos, forçando o microcontrolador a

zerar o contador de programa.

Microcontroladores5 – Interface Homem-Máquina IHM

Para inserirmos um display de cristal liquido, por exemplo, em um projeto

eletrônico, devemos escolher a quantidade de linhas e caracteres necessários

ao projeto, bem como se o display precisa ter luz de fundo caso fique em locais

escuros, o chamado backlight.

O display de cristal liquido contem um microcontrolador dedicado. Sendo

assim, devemos criar um programa que deverá ser gravado em nosso

microcontrolador de modo que este parametrize o display no inicio das

execuções de suas instruções.

MicrocontroladoresDentre os parâmetros que devem ser ajustados no display destacamos:

a) Limpeza do LCD;

b) Deslocamento da mensagem para a direita;

c) Quantidade de linhas e tamanho dos caracteres a serem exibidos;

d) Modo de comunicação com o microcontrolador.

MicrocontroladoresA imagem a seguir mostra um microcontrolador conectado a um display de

cristal liquido, usando comunicação a 8 bits. O potenciômetro é para ajustar o

contraste do LCD.

Microcontroladores6.1 – Interface de Comunicação Serial

A USART (universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmiter), que

significa Transmissor/Receptor Universal Sincrono e Assincrono, é um formato

padrão para troca de dados entre dois sistemas eletrônicos, em que os bits são

transmitidos ou recebidos em serie.

Os computadores possuem ua porta de comunicação conhecida como

porta serial, que usa o protocolo RS-232. Esse protocolo é definido pela EIA –

Eletronic Industries Association – para a troca de dados entre dois dispositivos,

em que os dados são enviados um após o outro, usando tensões que variam

entre -3V e -15V, para representar nível alto, e entre +3V e +15V, para

representar nível baixo, de acordo com o equipamento. A conexão entre eles

se faz por meio de conectores tipo DB9 macho em um dos lados do cabo e

DB9 femea do outro lado do cabo, com comprimento máximo de 15 metros.

MicrocontroladoresComo o microcontrolador funciona com sinais digitais de 0 V e 5 V, há a

necessidade de interfacear o equipamento que gera os sinais no padrão RS-

232 com os níveis digitais TTL do microcontrolador a um PC para a troca de

dados entre esses dois equipamentos. Um circuito integrado capaz de fazer o

interfaceamento entre o computador e o microcontrolador é o CI MAX232.

Microcontroladores6.2 – Interface de Comunicação PC

A tecnologia PC foi criada pela Philips. A sigla significa Circuito Inter-

integrado ou inter-integrade Circuit. Ela utiliza apenas duas linhas para

comunicação entre os componentes: uma linha de Clock (SCL) e outra linha

para entrada e saída de dados (DAS), ambas bidirecionais. Essa tecnologia

apresenta a vantagem de possibilitar a ligação de vários dispositivos

endereçados, sem que haja conflitos de comunicação entre eles, e, caso um

deles venha a falhar, o defeito é facilmente detectado.

Microcontroladores6.3 – Interface de Comunicação USB

Os microcontroladores de ultima geração possuem recursos internos para

a comunicação com um computador pela porta USB, em que seja necessária a

troca de dados entre o equipamento e um computador.

A comunicação USB permite a conexão de dispositivos ao computador de

uma forma mais simples para o usuário final do sistema com taxa de

transferência bem mais altas em relação a comunicação serial. Porem, para o

projetista, além do firmware que desse ser gravado no microcontrolador para

que a comunicação com o PC ocorra, existe a necessidade de se desenvolver

um software especifico que deve ser instalado no computador, para que o

sistema operacional possa reconhecer o equipamento que será conectado ao

computador.

Referências Bibliográficas

• TOCCI, Ronald; WIDMER, N. S. "Sistemas Digitais. Princípios e

Aplicações". 11ª Edição. Editora Prentice-Hall, 2011.

• PEDRONI Volnei A. "Eletrônica Digital Moderna e VHDL". 1ª Edição.

Editora Campus, 2010.

• MORAES, Airton Almeida de. NOVAES, Regina Célia Roland. Análise

de Circuitos Elétricos. 2. Ed. SENAI-SP, 2005.

• SENAI – SP. Eletrônica Geral – Mecatrônica. São Paulo, 2003.

• Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial. Departamento Nacional.

Projetos de Sistemas Eletrônicos / SENAI. Departamento Nacional,

SENAI. Departamento Regional de São Paulo. Brasília: SENAI/DN,

2014 156 p. il. (Série Eletroeletrônica).