AULA 1 - Microcontroladores - Engenharia

<< Página do curso

PLANO DE AULA

CARGA HORÁRIA: 5 h
CARGA HORÁRIA TEÓRICA: 2 h CARGA HORÁRIA PRÁTICA: 3 h

MATERIAIS

Por aluno:

• 1 placa Arduino Uno
• cabo de comunicação/alimentação USB
• 1 computador PC com software Arduino IDE instalado
• 1 proto shield para montagens
• 1 display LCD shield
• cabos fêmea-macho

METODOLOGIA

• Exposição dialogada dos conteúdos disponíveis, em projetor multimídia.
• Navegação assistida em outros sites e portais, de conteúdos relacionados.
• Montagens práticas e desenvolvimento em computador de aplicativos.
• Testes de verificação e validação.

Introdução aos Microcontroladores

Apresentação sobre Microcontroladores

Apostila sobre Microcontroladores

A plataforma Arduíno

(Extraído da apostila Curso de Arduíno, de Álvaro Justen e do curso Programação Básica em Arduíno, UFSC)

Arduino 1 é um projeto que engloba software e hardware e tem como objetivo fornecer uma plataforma fácil para prototipação de projetos interativos, utilizando um microcontrolador.

O projeto do Arduino teve início em 2005 na cidade de Ivrea, Itália.

O Arduino é composto por uma placa com microcontrolador Atmel AVR e um ambiente de programação baseado em Wiring e C++.

Tanto o hardware como o ambiente de programação do Arduino são livres, ou seja, qualquer pessoa pode modificá-los e reproduzi-los.

O Arduino também é conhecido como plataforma de computação física.

PLATAFORMAS DE COMPUTAÇÃO FÍSICA: são sistemas digitais ligados a sensores e atuadores, que permitem construir sistemas que percebam a realidade e respondem com ações físicas. O Arduíno é baseado em uma placa microcontrolada, com acessos de Entrada/Saída (I/O), que permite a criação de sistemas embarcados para aplicações industriais, comerciais, amadoras, profissionais, dos mais variados tipos.

Existem inúmeros modelos de Arduínos, como veremos na sequência, mas existem alguns mais populares, como o antigo Duemilanove (2009, em italiano) e o Uno, muito utilizado atualmente.

A principal diferença entre um Arduino e um computador convencional é que, além ter menor porte (tanto no tamanho quanto no poder de processamento), o Arduino utiliza dispositivos diferentes para entrada e saída em geral.

Por exemplo: em um PC utilizamos teclado e mouse como dispositivos de entrada e monitores e impressoras como dispositivos de saída; já em projetos com o Arduino os dispositivos de entrada e saída são circuitos elétricos/eletrônicos.

Como a interface do Arduino com outros dispositivos está mais perto do meio físico que a de um PC, podemos ler dados de sensores (temperatura, luz, pressão etc.) e controlar outros circuitos (lâmpadas, motores, eletrodomésticos etc.), dentre outras coisas que não conseguiríamos diretamente com um PC.

A grande diferença com relação ao uso desses dispositivos, no caso do Arduino, é que, na maior parte das vezes, nós mesmos construímos os circuitos que são utilizados, ou seja, não estamos limitados apenas a produtos existentes no mercado: o limite é dado por nosso conhecimento e criatividade! O melhor de tudo nesse projeto é que seu software, hardware e documentação so abertos. O software é livre (GNU GPL2), o hardware é totalmente aberto, especificado (basta entrar no site e baixar os esquemas) e a documentação está disponível em Creative Commons3, os usuários podem colaborar (seja escrevendo documentação, seja traduzindo) através da wiki!

---

Referências:

1. Site oficial Projeto Arduino
2. Baixar apostila de Álvaro Justen
3. Curso de programação básica para Arduíno

---

Modelos de Arduíno

• Arduino UNO
• Arduino Leonardo
• Arduino Due
• Arduino Esplora
• Arduino Mega
• Arduino Mega ADK
• Arduino Ethernet
• Arduino Mini
• Arduino LilyPad
• Arduino Micro
• Arduino Nano
• Arduino ProMini
• Arduino Pro
• Arduino Fio

Quadro Comparativo

(arduino.org)

Arduino UNO:

Talvez o modelo mais popular atualmente seja o Uno:

• Microcontrolador: ATmega328
• Tensão de operação: 5V
• Tensão recomendada (entrada): 7-12V
• Limite da tensão de entrada: 6-20V
• Pinos digitais: 14 (seis pinos com saída PWM)
• Entrada analógica: 6 pinos
• Corrente contínua por pino de entrada e saída: 40 mA
• Corrente para o pino de 3.3 V: 50 mA
• Quantidade de memória FLASH: 32 KB (ATmega328) onde 0.5 KB usado para o bootloader
• Quantidade de memória SRAM: 2 KB (ATmega328)
• Quantidade de memória EEPROM: 1 KB (ATmega328)
• Velocidade de clock: 16 MHz

Alimentação

• O Arduino UNO pode ser alimentado pela porta USB ou por uma fonte externa DC.
• A recomendação é que a fonte externa seja de 7 V a 12 V e pode ser ligada diretamente no conector de fonte ou nos pinos Vin e Gnd.

Instalação do software

Para criar um projeto com o Arduino, basta comprar uma placa Arduino (utilizaremos o Arduino Uno, como exemplo) (que custa em torno de US$30 no exterior e por volta de R$100 no Brasil), fazer download da interface integrada de desenvolvimento (IDE) e ligar a placa à porta USB do PC.

Como qualquer computador/microcontrolador, o Arduino precisa de um software para executar comandos. Esse software será desenvolvido na Arduino IDE em nosso PC, utilizando a linguagem C/C++.

Após escrever o código, o compilaremos e então faremos o envio da versão compilada para a memória ‘’flash’’ do Arduino, através da porta USB.

A partir do momento que o software é gravado no Arduino não precisamos mais do PC: o Arduino conseguirá executar o software independentemente, modo ‘’standalone’’, desde que seja ligado a uma fonte de energia. Antes de iniciar nosso projeto precisamos então instalar a IDE.

O ambiente de desenvolvimento do Arduino (IDE) é gratuito e pode ser baixado no seguinte endereço: [Arduino.org/software#ide]

Vamos lá:

• Ubuntu GNU/Linux 10.10: Basta executar em um terminal:

sudo aptitude install arduino

ou procurar pelo pacote \arduino no Synaptic (menu Sistema!Administração!Gerenciador de pacotes Synaptic).

• Ubuntu GNU/Linux (anterior a 10.10): Consulte a página de instalação do Arduino em Ubuntu.
• Outras distribuições GNU/Linux: Consulte a página de instalação em outras distribuições GNU/Linux.
• Microsoft Windows: Basta baixar o arquivo de instalação e clicar duas vezes no mesmo. Consulte a página de instalação para as variadas versões do Microsoft Windows.
• Apple Mac OS X: Consulte a página de instalação para o Mac OS X.

Após a instalação, abra a IDE. A seguinte tela será mostrada:

As seguintes configurações são necessárias:

Chamamos um código feito para Arduino de sketch e o salvamos em um arquivo com a extensão .pde.

Com nosso sketch pronto, bastará conectar o Arduino na porta USB e clicar no botão upload (segundo, da direita para a esquerda { destacado na figura acima).

Após o processo, será vista a mensagem Done uploading na IDE e então o sketch estará rodando no Arduino, ou seja, o LED acenderá e apagará, de 1 em 1 segundo. Vamos agora à explicação do processo:

IDE Arduino

Utiliza uma biblioteca de funções que simplifica a sua programação, por meio de uma sintaxe similar a das linguagens C e C++ (Wiring).

As principais funcionalidades do IDE do Arduino são:

• Escrever o código do programa
• Salvar o código do programa
• Compilar um programa
• Transportar o código compilado para a placa do Arduino (menu Upload)
• Permitir comunicação serial com o PC

Mais detalhes sobre a IDE: IDEArduino IDE Arduino Menus

Funções

As duas principais funções de um código Arduíno, isto é, de um programa desenvolvido para o Arduino são:

• setup(): onde devem ser definidas algumas configurações iniciais do programa. Executa uma única vez, no início.
• loop(): função principal do programa. Fica executando indefinidamente.

Todo programa para o Arduino deve ter estas duas funções!

Exemplo 1: acionando o led da placa (pino digital 13)

Começaremos com o exemplo clássico Blink, que já vem como exemplo, no aplicativo.

Para encontrar o exemplo clique em File ! Examples ! Digital ! Blink.

O programa tem como objetivo acender e apagar o LED de um em um segundo. Para compilar este exemplo não é necessário de nenhuma outra infraestrutura, ou hardware, que não o próprio Arduino.

Primeiramente, vamos criar uma variável chamada ledPin para endereçar o pino de saída, onde o LED da placa já está conectado (variável do tipo inteiro):

int ledPin = 13;

Assim quando nos referirmos à variável ledPin, estaremos nos referindo ao pino 13.

Este tipo de instrução não é obrigatória, mas é uma das boas práticas de programação e organização de código!

O seguinte passo é classificar o ledPin como pino de SAÍDA, porque os pinos são bidirecionais.

Isto é feito da seguinte maneira:

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
 }

A função pinMode() tem como primeiro parâmetro o número do pino e como segundo parâmetro, se ele é pino de entrada ou saída.

Agora começaremos a escrever o processamento.

O programa rodará em um loop eterno, pois não deverá haver interrupções (ocorrências ou interferências que mudem o estado).

Dentro do loop terá uma função que fará o LED ficar aceso por 1 segundo e depois apagado, por mais um segundo, e assim, sucessivamente.

Escreva da seguinte maneira:

void loop() {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
    delay(1000);
    digitalWrite(ledPin, LOW);
    delay(1000);
 }

A função delay(x) pára a execução do código durante x milissegundos (ms). Por isto temos que utilizar o argumento 1000, para setar os atrasos em 1 segundo (=1000 ms).

O código completo poderia ser:

A função digitalWrite() escreve uma informação digital (nível lógico), ou seja, 0 (LOW) ou 1 (HIGH) em uma das saídas digitais. Seu primeiro parâmetro é o pino de saída, que no caso é o ledPin (pino 13). O segundo parâmetro é o estado a ser atribuído ao pino, HIGH ou LOW.

Quando uma porta digital está em estado baixo (LOW), ela estará em 0V; já quando está em estado alto (HIGH), estará com 5 V.

Antes de fazer o upload do programa (carregar o código pra memória FLASH do Arduíno), primeiro deve-se escolher a porta USB em que o Arduino se encontra (conectado ao PC).

Para isso vá em Tools ! Serial Port ! porta, para setar onde porta é o nome da porta onde estão ligados o Arduino (/dev/ttyUSB*, no caso de GNU/Linux, COM* em Windows).

Para saber em qual porta o Arduino se encontra, faça por tentativa e erro, logo escolha um e tente rodar, caso não rode, é o outro.

Outro passo que deve-se fazer é escolher o modelo da placa, para isso vá em: Tools ! Board e o modelo da sua placa.

Agora sim para fazer o upload, clique em Upload, como mostra a figura abaixo:

Deve-se ressaltar que a IDE Arduino inclui automaticamente todas as bibliotecas que utilizamos.

Se você está acostumado com C/C++, note que não precisamos digitar as diretivas include para arquivos como o stdlib.h, por exemplo.

Tudo é feito de forma automática para facilitar o desenvolvimento do projeto!

Como o Arduino já vem com um LED internamente conectado á porta 13, não precisaremos de circuitos externos para que esse projeto funcione, ou seja, bastará fazer upload daquele código e já teremos o resultado esperado:

Exercícios:

1. Altere o código para que o led da placa fique 2 segundos apagado e 3 segundos aceso.
2. Altere o código para que o led da placa fique 1 segundo aceso, 2 segundos apagado, mais meio segundo aceso e 300 ms apagado.
3. Porque a função delay() é necessária?
4. Porque foi necessário utilizar-se o pino digital 13?

Outras funções

Digital I/O

pinMode() 
digitalWrite() 
digitalRead()

Analógico I/O

analogReference() 
analogRead() 
analogWrite() - PWM

Avançado I/O

tone() 
noTone() 
shiftOut() 
pulseIn()

Tempo

 millis() 
 micros() 
 delay() 
 delayMicroseconds()

Matemática

min() 
max() 
abs() 
constrain() 
map() 
pow() ***só do C/C++ sqrt() ***só do C/C++

Trigonométrica

sin() ***só do C/C++ 
cos() ***só do C/C++ 
tan() ***só do C/C++

Números aleatórios

randomSeed() 
random()

bits e Bytes

lowByte() 
highByte() 
bitRead() 
bitWrite() 
bitSet() 
bitClear() 
bit()

Interrupções externas

attachInterrupt() 
detachInterrupt()

Interrupções

interrupts() 
noInterrupts()

Comunicação Serial

Serial.

begin()  
read()  
write()  
print()  
println() e 
available()

Acionando display LCD com arduino

A maioria das aplicações demanda o uso de um display LCD comum, que nada mais é do que uma matriz 16x2 de leds, para visualização dos resultados.

Nesta aula, veremos como escrever neste, usando o arduino.

O display LCD1602

O display de cristal líquido padrão LCD1602 tem este nome por ter 16 colunas e duas linhas.

Cada caractere é composto de uma matriz de 5 colunas por 8 linhas de pixels.

O estado desses pixels, “ligados” ou “desligados”, desenharão o caractere.

Veja a seguir como estão dispostos esses pixels em um caractere.

O estado dos pixels é definido através das entradas DB’s do módulo LCD.

O Arduino enviará 8 bytes através dessas portas para que seja definido o caractere.

Por exemplo, veja como é formada a letra V:

Felizmente, os usuários de arduino não precisam criar uma biblioteca de caracteres. Ela já existe e se chama LiquidCrystal.h.

A biblioteca já possui várias combinações para caracteres alfanuméricos, dessa forma não é necessário definir no programa cada caractere que será usado.

Porém, caso você queira criar um caractere personalizado, também será possível.

Pinagem do display

O display 1602 possui a seguinte pinagem:

Obviamente:

• o pino Vss/1 do display tem que ser ligado ao GND do Arduino
• o pino Vdd/2, ao VCC (+5V).
• o pino V0/3 pode ser ligado a um potênciometro, para ajuste do contraste e
• os pinos de anodo (A/15) e catodo (K/16) do display têm que ser ligados, respectivamente, ao VCC e ao GND, para acionar a backlight.

Os 8 pinos de dados (DB0/7 a DB7/14) vão ser ligados a saídas digitais do arduino.

Os demais pinos, RS/4, RW/5 e E/6 são de configuração.

A biblioteca LiquidCrystal.h

LiquidCrystal é o construtor que cria um objeto da classe LiquidCrystal.

Ou seja, define em quais pinos do Arduino o módulo está conectado.

Ele é sobrecarregado de 4 maneiras diferentes, onde tela, é o nome escolhido para o seu LCD.

LiquidCrystal tela(RS, Enable, DB4, DB5, DB6, DB7) 
LiquidCrystal tela(RS, R/W, Enable, DB4, DB5, DB6, DB7) 
LiquidCrystal tela(RS, Enable, DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6, DB7) 
LiquidCrystal tela(RS, R/W, Enable, DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6, DB7) 

Caso o pino R/W não seja passado ao construtor, ele deve ser conectado ao pino terra para permitir a escrita no LCD.

Observe que não é necessário enviar todos os pinos de dados ao construtor, pois o Arduino consegue controlar o display utilizando apenas os 4 últimos pinos.

Observe que em nossos exemplos abaixo, usamos a primeira opção de construtor, com o nome lcd para o objeto.

Função begin()

 lcd.begin(colunas, linhas) ;

Inicializa a interface com o display, recebendo como parâmetros o número de colunas e linhas do display.

Deve ser chamada antes de qualquer outro método da classe.

Como nosso display possui 16 colunas e 2 linhas, temos:

 lcd.begin(16,2);

Função setCursor()

lcd.setCursor(coluna, linha) ;

Posiciona o cursor do display nas coordenadas passadas pelo parâmetro, para que o texto possa ser escrito na posição desejada.

lcd.setCursor(6,1);         //Posiciona o cursor na posição (6,1) 

Função home()

lcd.home();

Posiciona o cursor no canto superior esquerdo do display. Equivale ao setCursor(0,0).

Função home()

lcd.print(conteúdo, base);

Escreve o conteúdo (char, int, string, byte ou long) na tela do display, na posição atual do cursor.

O parâmetro base é opcional e indica apenas a base em que os números serão impressos (BIN para binário, DEC para decimal, OCT para octal e HEX para hexadecimal).

Ao término da escrita, o cursor é movido para a próxima posição.

Função home()

lcd.clear(); 

Limpa a tela do LCD e posiciona o cursor na extremidade superior esquerda.

Função home()

lcd.createChar(número, caractere); 

Cria um caractere customizado para ser utilizado no display, até, no máximo, 8 caracteres.

O símbolo criado é formado por um array de 8 bytes, onde os 5 bits menos significativos de cada byte determinam os pixels de cada linha.

O parâmetro número recebe um inteiro de 0 a 7, que simboliza qual caractere está sendo criado.

O parâmetro caractere recebe um vetor de 8 bytes que desenham o caractere, tal como apresentado abaixo:

Veja como ficou o nosso exemplo:

lcd.createChar(0, smile);   //Cria o smile e o associa ao 0 
lcd.createChar(1, smile2);  //Cria o smile2 e o associa ao 1 
 
nomedolcd.createChar(numero, caractere);    

lcd.clear();                //Limpa a tela do LCD 

lcd.print("Vida de Silício"); //Escreve Vida de Silício lcd.home(); //Posiciona o cursor na posição (0,0)

Onde temos os caracteres smile e smile 2 definidos da seguinte forma:

Para o caractere 0 é necessário que, no momento de imprimi-lo, faça-se um casting do número do caractere criado para um byte.

O que não acontece com os demais.

Função write()

 lcd.write(caracter) ;

Escreve um caractere no LCD na posição atual do cursor, movendo o cursor para a próxima posição.

Maiores detalhes acerca da biblioteca LiquidCrystal.h ] Display LCD 16x2 com arduino

Displays LCD Keypad Shield

Acionar displays LCD pode ser uma tarefa chata e nada trivial, mesmo com a biblioteca LiquidCrystal.h.

Felizmente, o curso de Engenharia Elétrica do IFSC, Campus Itajaí dispõe de shields com displays LCD 16x2, ou Keypad Shields, os quais prescindem de todo cabeamento e protoboards externos.

O funcionamento deste pode ser compreendido nos links:

Funcionamento do Keypad Shield

Escrever texto deslizante ("scrolling text") no display:

#include <LiquidCrystal.h>  
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);  
void setup()   
{ lcd.begin(16, 2);  
  lcd.setCursor(0,0);  
  lcd.print("Fernanda - MIC2");
  delay(2000);
}  
  
void loop()  
{ int i;
  for(i=0;i<16;i++)
  { lcd.setCursor(i,1);  
    lcd.print("Texto deslizante");  
    delay(300);
    lcd.clear();
 }
}

Texto deslizante usando a função scrollDisplayLeft:

#include <LiquidCrystal.h> 
 
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);  

void setup()   
{ lcd.begin(16, 2);   
  lcd.setCursor(16,0); 
  lcd.print("Fernanda - MIC2");
}  
  
void loop()  
{  
  lcd.scrollDisplayLeft();   
  delay(500); 
}

Identificar tecla pressionada e mostrar no display

#include <LiquidCrystal.h>  
 
LiquidCrystal lcd(8, 9, 4, 5, 6, 7);  
  
void setup()   
{  
 lcd.begin(16, 2);  
 lcd.setCursor(0,0);  
 lcd.print("Fernanda - MIC2");
 lcd.setCursor(0,1);  
 lcd.print("Tecla:");  
}  
  
void loop()  
{  
 int botao;  
 botao = analogRead (0);  //Leitura do valor da porta analógica A0
 lcd.setCursor(10,1);  
 if (botao < 99) {  
  lcd.print ("Direita ");  
 }  
 else if (botao < 200) {  
    lcd.print ("Cima    ");  
 }  
 else if (botao < 400){  
    lcd.print ("Baixo   ");  
 }  
 else if (botao < 600){  
   lcd.print ("Esquerda");  
 }  
 else if (botao < 800){  
   lcd.print ("Select  ");  
 }  
}

Programa-exemplo de uso do Keypad Shield

---

<< Página do curso	AULA 1 - Introdução aos Microcontroladores	Arquitetura do Arduíno >>