Apostila rev4, Manual de Eletrônica. Universidade Federal do Maranhão (UFMA)
Lucasramos
Lucasramos18 de março de 2015

Apostila rev4, Manual de Eletrônica. Universidade Federal do Maranhão (UFMA)

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Apostila do Curso de Arduino com Álvaro Justen

2

Sumário

1 Conceitos básicos 7 1.1 O Projeto Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.2 Instalação do software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Primeiro projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3.1 Cálculos de resistência . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.3.2 Alimentação do circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Bibliotecas e shields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5 Integração com o PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 Portas analógicas e digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.6.1 Portas digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6.2 Portas analógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2 Fundamentos de Eletrônica 21 2.1 Resistores e Lei de Ohm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.1.1 Resistores em série . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.2 Resistores em paralelo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.1.3 Código de cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.1.4 Divisor de tensão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2 Capacitores e indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.1 Capacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2 Indutores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3 Diodos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Transistores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4.1 Utilização de transistores com relés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.2 Ponte-H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3 Eletrônica Digital 29 3.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2 Portas lógicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.1 Tabela-verdade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.2 Representação das operações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2.3 Funções lógicas compostas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

4 Fazendo barulho com o Arduino 33

5 Armazenando na EEPROM 35

3

4 SUMÁRIO

5

6 SUMÁRIO

Prefácio

Essa apostila é destinada aos alunos que realizaram o Curso de Arduino1, tendo como premissa explicar em mais detalhes temas abordados em aula para que os alunos não se preocupem com anotações durante os experimentos.

Seu conteúdo (com exceção das fotos de terceiros, devidamente citadas) está dispońıvel através da licença Creative Commons Atribuição-Uso não-comercial-Compartilhamento pela mesma licença 3.0 Un- ported, que está dispońıvel nas formas compacta e completa nos seguintes endereços:

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.pt_BR

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/legalcode

Caso possua correções, sugestões ou mesmo queira contribuir escrevendo essa apostila, sinta-se livre para entrar em contato – terei um imenso prazer em receber sua contribuição!

Download

Essa apostila está dispońıvel para download através do site do Curso de Arduino1. Acesse o site para verificar novas versões no seguinte endereço:

http://www.CursoDeArduino.com.br/apostila

O Autor

Álvaro Justen, também conhecido como“Turicas”, é o criador do Curso de Arduino1 e autor dessa apostila. Fã de carteirinha de software livre (usuário há mais de 12 anos), sempre participa de eventos (palestrando ou organizando) e grupos de usuários, além de contribuir com o de- senvolvimento de diversos projetos. Foi responsável pela criação do grupo de usuários de Arduino do Rio de Janeiro2, onde são realizados encontros mensais para discutir sobre a plataforma.

Está finalizando sua graduação em Engenharia de Telecomunica- ções pela Universidade Federal Fluminense (Niterói/RJ), onde já de- senvolveu diversas atividades de pesquisa, ensino e extensão (muitas ligadas ao Arduino); é programador Python3, tendo criado e contri- búıdo com diversos projetos nessa linguagem; entusiasta de metodolo- gias ágeis e Coding Dojo4, sendo o responsável por trazer a prática a Niterói.

Álvaro atualmente possui uma empresa que ministra cursos de Ar- duino por todo o Brasil e desenvolve projetos utilizando a plataforma para diversas empresas. Além disso, desenvolve bibliotecas abertas para o Arduino e publica artigos com dicas e projetos em seu blog.

Contato

• E-mail: alvaro@CursoDeArduino.com.br

• Blog: http://blog.justen.eng.br/

• Twitter: http://twitter.com/turicas

• Telefone: +55 21 9898-0141

1http://www.CursoDeArduino.com.br/ 2http://ArduInRio.cc/ 3http://www.python.org/ 4http://dojorio.org/

Caṕıtulo 1

Conceitos básicos

7

8 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

1.1 O Projeto Arduino

Arduino1 é um projeto que engloba software e hardware e tem como objetivo fornecer uma plataforma fácil para prototipação de projetos interativos, utilizando um microcontrolador. Ele faz parte do que chamamos de computação f́ısica: área da computação em que o software interage diretamente com o hardware, tornando posśıvel integração fácil com sensores, motores e outros dispositivos eletrônicos.

A parte de hardware do projeto, uma placa que cabe na palma da mão, é um computador como qualquer outro: possui microprocessador, memória RAM, memória flash (para guardar o software), temporizadores, contadores, dentre outras funcionalidades. Atualmente, o projeto está na versão Uno, porém muitos Arduinos encontrados hoje são da versão Duemilanove (2009, em italiano), que possui um clock de 16MHz, 2kB de memória RAM, 32kB de memória flash, 14 portas digitais e 6 entradas analógicas.

Figura 1.1: Foto do hardware de um Arduino Duemilanove

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

Como a interface do Arduino com outros dispositivos está mais perto do meio f́ısico 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 conseguiŕıamos 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 constrúımos 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 são abertos. O software é livre (GNU GPL2), o hardware é totalmente especificado (basta entrar no site e baixar os esquemas) e a documentação está dispońıvel em Creative Commons3 – os usuários podem colaborar (seja escrevendo documentação, seja traduzindo) através da wiki!

1http://www.arduino.cc/ 2http://www.gnu.org/licenses/gpl.html 3http://creativecommons.org/licenses/

1.2. INSTALAÇÃO DO SOFTWARE 9

1.2 Instalação do software

Para criar um projeto com o Arduino, basta comprar uma placa Arduino (utilizaremos o Arduino Duemilanove como exmplo) – 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)4 e ligar a placa à porta USB do PC.

Como qualquer computador, o Arduino precisa de um software para executar comandos. Esse software será desenvolvido na Arduino IDE em nosso PC, utilizando a linguagem C++. Após escrever o código, o compilaremos e então faremos o envio da versão compilada à 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, como é um computador independente, conseguirá sozinho executar o software que criamos, desde que seja ligado a uma fonte de energia.

Antes de iniciar nosso projeto precisamos então instalar a 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 Ubuntu5.

• Outras distribuições GNU/Linux: Consulte a página de instalação em outras distribuições GNU/Linux6.

• Microsoft Windows: Consulte a página de instalação para as variadas versões do Microsoft Windows7.

• Apple Mac OS X: Consulte a página de instalação para o Mac OS X8.

Após a instalação, abra a IDE (no Ubuntu GNU/Linux ela estará dispońıvel no menu Aplicativos → Ele- trônica → Arduino IDE ). A seguinte tela será mostrada:

4http://arduino.cc/en/Main/Software 5http://www.arduino.cc/playground/Linux/Ubuntu 6http://www.arduino.cc/playground/Learning/Linux 7http://www.arduino.cc/en/Guide/Windows 8http://www.arduino.cc/en/Guide/MacOSX

10 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

Figura 1.2: Arduino IDE versão 0018 rodando no Ubuntu GNU/Linux 10.10

1.3 Primeiro projeto

Quando ensinamos linguagens de programação novas, geralmente o primeiro exemplo é um hello world. Como o Arduino não vem por padrão com um display, nosso primeiro exemplo será fazer um LED piscar – e por isso será chamado blink. Nosso LED ficará aceso durante um segundo e apagado durante outro segundo e então recomeçará o ciclo. Abra a IDE e digite o seguinte código:

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(13, LOW);

delay(1000);

}

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:

1.3. PRIMEIRO PROJETO 11

O Arduino possui 14 portas digitais, que podemos utilizar como entrada ou sáıda. Nesse caso, vamos utilizar a porta de número 13 como sáıda, dessa forma, podemos controlar quando a porta ficará com 5V ou quando ficará com 0V – internamente o Arduino possui um LED conectado à porta 13 e, por isso, teremos como “ver” nosso software funcionando.

Para que nosso software funcione corretamente no Arduino, precisamos criar duas funções espećıficas: setup e loop. A função setup é executada assim que o Arduino dá boot, já a função loop fica sendo executada continuamente (em loop) até que o Arduino seja desligado. Como as portas digitais são de entrada ou sáıda, definimos então dentro da função setup que a nossa porta 13 é uma porta de sáıda – fazemos isso através da chamada à função pinMode, que já vem na biblioteca padrão do Arduino.

Depois de configurarmos corretamente a porta 13 como sáıda, precisamos acender e apagar o LED que está conectado a ela. Para alterar a tensão na porta, utilizamos a função digitalWrite (que também está na biblioteca padrão do Arduino); passamos para essa função a porta que queremos alterar a tensão e o novo valor de tensão (HIGH = 5V, LOW = 0V). Depois das chamadas para acender e apagar o LED, chamamos a função delay passando o parâmetro 1000 – o que essa função faz é esperar um tempo em milisegundos para então executar a próxima instrução.

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 à 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:

(a) LED apagado (b) LED aceso

Figura 1.3: Arduino Duemilanove rodando o exemplo Blink

Porém, se quisermos acender um LED externo à placa, podemos conectá-lo diretamente à porta 13. Podemos utilizar um LED de 5mm que acende com 2,5V. O problema, nesse caso, se dá por conta da porta digital: ela assume ou a tensão 0V, ou a tensão 5V – e caso coloquemos 5V no LED ele irá queimar.

Para solucionar esse problema precisamos ligar algum outro componente que seja responsável por dividir parte dessa tensão com o LED, para que ele não queime, então utilizaremos um resistor. Portanto, ligamos um resistor de 120Ω em série com o LED, o resistor à porta 13 e o LED à porta GND – ground ou terra –, como na Figura 1.4.

12 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

Figura 1.4: Utilizando um LED externo para o exemplo Blink

Não precisamos fazer nenhuma alteração no software para que esse circuito funcione: basta ligar o Arduino na porta USB do computador, para que o computador dê energia ao circuito, e então veremos o LED externo piscar juntamente com o LED interno. Em vez do LED, podeŕıamos controlar outros componentes, como motores, eletrodomésticos etc.

1.3.1 Cálculos de resistência

Para chegar ao valor de 120Ω acima, precisei fazer algumas contas (e arredondamentos). Vamos aprender agora a calcular o valor dos resistores que precisamos utilizar. Se precisarmos acender um LED verde, que é alimentado com tensão de 2,2V e corrente de 20mA através do Arduino, precisaremos de um resistor, como já vimos, já que o Arduino só consegue fornecer ou 0V ou 5V. Colocaremos o resistor em série com o LED, e com isso podemos concluir que:

• A tensão total (soma das tensões no resistor e no LED) será de 5V, ou seja: VLED + VR = 5V

• A corrente total que passa pelo resistor e pelo LED é igual, ou seja, 20mA, ou seja: ILED = IR = 20mA

• Precisamos colocar uma tensão de 2,2V no LED, ou seja: VLED = 2, 2V

Sabendo desses detalhes, podemos concluir que a tensão no resistor será de: VR = 5V − VLED ∴ VR = 5V − 2, 2V ⇒ VR = 2, 8V . Como IR = 20mA e VR = 2, 8V , podemos calcular o valor da resistência R do resistor que iremos utilizar através da Lei de Ohm:

V = RI

Assim, temos: 2, 8V = R0, 020A ∴ R = 2,8V0,020A ⇒ R = 140Ω Depois de feito o cálculo, podemos generalizar com a seguinte fórmula:

R = Vfonte − VLED

IR

Para o LED verde, precisamos de um resistor de 140Ω, porém não existem resistores com esse valor para venda – os valores são pré-definidos9. Dada essa situação, temos duas alternativas:

• Utilizar um resistor de maior resistência e limitar mais a corrente (que fará com que o LED brilhe menos); ou

• Associar dois ou mais resistores em série ou paralelo para conseguir o valor.

Geralmente escolhemos um resistor de valor próximo, já que uma alteração pequena de corrente não causará danos ao dispositivo, porém em alguns casos precisaremos combinar resistores de valores diferentes para conseguir o valor equivalente – esse tema será explicado em mais detalhes no próximo caṕıtulo.

9Saiba mais em http://www2.eletronica.org/hack-s-dicas/valores-comerciais-para-resistores-capacitores-e-indutores/

1.4. BIBLIOTECAS E SHIELDS 13

1.3.2 Alimentação do circuito

Internamente, o circuito do Arduino é alimentado com uma tensão de 5V. Quando ligamos o Arduino em uma porta USB do PC, o próprio PC, através do cabo USB, alimenta o Arduino. Porém nem sempre temos um PC por perto; para esses casos, podemos utilizar uma outra fonte de energia de 5V (a fonte deve ser ligada diretamente nos pinos 5V e GND do Arduino).

Como não possúımos pilhas/baterias em abundância no mercado com tensão de 5V, fica complicado alimentar um Arduino dessa forma alternativa – se tivermos uma tomada de 127/220VAC por perto, podeŕıamos ligar uma fonte AC/DC (essas sim, existem aos montes). Para resolver esse problema, o Arduino possui um regulador de tensão que aceita tensões de 7 a 12V (na verdade, ele consegue funcionar com tensões entre 6 e 20V, apesar de não ser recomendado). Com o regulador de tensão podemos combinar pilhas em série, utilizar uma bateria de 9V ou mesmo baterias de carros, motos e no-breaks (12V).

Figura 1.5: Arduino alimentado por uma bateria de 9V Retirado de http://www.arduino.cc/playground/Learning/9VBatteryAdapter

1.4 Bibliotecas e shields

Assim como a IDE já vem com diversas funções pré-definidas, o Arduino possui outras bibliotecas para controle de servomotores, displays LCD, geração de áudio, recepção de sinais de sensores e outros dispositivos (como teclado PS/2), dentre muitas outras coisas! E quem pensa que essa estensibilidade toda se restringe à parte de software está muito enganado: o Arduino possui o que chamamos de shields, que são placas que se acoplam à placa original, agregando funcionalidades à mesma.

Existem shields dos mais variados tipos, para as mais diversas funções. Alguns servem como entrada, outros como sáıda, e ainda outros como entrada e sáıda. Com os shields conseguimos, por exemplo, fazer o Arduino se comunicar numa rede Ethernet, ou ainda transmitir dados para qualquer dispositivo via Bluetooth, Wi-Fi ou Zigbee. Existem shields com circuitos integrados prontos para controlarmos motores sem que precisemos nos preocupar com complicações eletrônicas envolvidas, outros possuem leitor de cartão SD, acelerômetro, GPS e diversos outros sensores que podem gerar dados importantes para o software que está rodando no microcontrolador.

14 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

Figura 1.6: Arduino Duemilanove com shield Ethernet

Existem também outros shields mais elaborados, que são sistemas completos. Um deles, por exemplo, cria uma plataforma para desenvolvimento de jogos no Arduino: o Video Game Shield10, que possui uma sáıda RCA e duas entradas para controles Numchuck do Nintendo Wii. Além do hardware, existe uma biblioteca para ser utilizada em conjunto, que já possui várias funções pré-programadas para fazermos desenhos na televisão e capturar os dados dos movimentos nos controles.

1.5 Integração com o PC

Apesar de o Arduino ser um computador independente, em alguns casos podemos nos aproveitar de um PC por perto e explorar outra funcionalidade muito boa do projeto: o Arduino consegue conversar com o computador através da porta USB. Isso nos permite desenvolver um software que roda no PC e se comunica com o software que roda no Arduino, o que nos abre um mar de possibilidades! Podemos, por exemplo, criar um software em Python11 que recebe os dados de um sensor, via USB (através do Arduino), e envia para algum banco de dados na Internet – assim teremos, de certa forma, nosso Arduino online, enviando dados para o mundo, através de um PC!

Existem inúmeros projetos interessantes que fazem interface entre linguagens de programação e o Arduino – existem implementações para Python, Ruby, Java, C, dentre outras linguagens. E não para por áı: além de o software que roda no PC receber dados, ele pode também enviar dados, controlando o Arduino! Dessa forma, podemos, por exemplo, receber dados da Web e enviar comandos ao Arduino, baseados nesses dados.

Um exemplo de aplicação que utiliza a porta USB para comunicação do Arduino com o PC é o projeto Arduinoscope12, que tem como finalidade criar um osciloscópio, onde podemos ver em tempo real, no PC, gráficos das tensões que estão ligadas às portas analógicas do Arduino. Outro exemplo é um projeto que criei, onde controlo um carrinho através de Wi-Fi, o Turiquinhas13.

Fica a dica para quem quer começar um projeto Arduino assistido por computador de maneira fácil: vale a pena estudar um protocolo de comunicação e controle chamado Firmata14, cuja implementação está dispońıvel

10http://www.wayneandlayne.com/projects/video-game-shield/ 11http://www.python.org/ 12http://code.google.com/p/arduinoscope/ 13http://www.justen.eng.br/Turiquinhas 14http://www.firmata.org/

1.6. PORTAS ANALÓGICAS E DIGITAIS 15

para várias linguagens (e já vem por padrão um exemplo na IDE do Arduino). Ele facilita o processo de aquisição de dados e controle da placa.

Além das opções citadas acima, existe uma linguagem chamada Processing15, parecid́ıssima com a linguagem que utilizamos no Arduino, que consegue se comunicar com o Arduino via USB e é utilizada para criar imagens, animações e interações no PC, a partir dos dados vindos da comunicação com o Arduino.

1.6 Portas analógicas e digitais

O Arduino possui dois tipos de portas de entrada: analógicas e digitais. Além disso, as portas digitais também servem como portas de sáıda, funcionando com dois tipos básicos de sáıda: sáıda digital comum e sáıda PWM – o PWM pode ser utilizado para simular uma sáıda analógica, dentre outras coisas.

1.6.1 Portas digitais

Utilizamos as portas digitais quando precisamos trabalhar com valores bem definidos de tensão. Apesar de nem sempre ser verdade, geralmente trabalhamos com valores digitais binários, ou seja, projetamos sistemas que utilizam apenas dois valores bem definidos de tensão. Existem sistemas ternários, quaternários, mas focaremos no binário, já que é esse o utilizado pelo Arduino.

Como o sistema é binário, temos que ter apenas duas tensões. São elas: 0V e 5V. Dessa forma, as portas digitais do Arduino podem trabalhar apenas com essas duas tensões – e o software que desenvolveremos poderá requisitar ao microcontrolador do Arduino que:

• Coloque uma determinada porta em 0V;

• Coloque uma determinada porta em 5V;

• Leia o valor de uma determinada porta (terá 0V ou 5V como resposta).

O Arduino Duemilanove possui 14 portas digitais que estão destacadas na figura a seguir:

Figura 1.7: Portas digitais do Arduino, de 13 a 0

Apesar de ser posśıvel, não é recomendável utilizar as portas 0 e 1 pois elas estão diretamente ligadas ao sistema de comunicação do Arduino (pinos RX e TX – recepção e transmissão, respectivamente) e, por isso, seu uso pode conflitar com o upload do software. Caso queira utilizá-las, certifique-se de desconectar quaisquer circuitos conectados a ela no momento do upload.

Utilizaremos as funções digitalRead e digitalWrite para ler e escrever, respectivamente, nas portas di- gitais. A função digitalWrite já foi exemplificada em nosso exemplo Blink, onde acendemos e apagamos um LED ao alternar a tensão da porta 13 entre 5V e 0V, com intervalo de 1 segundo. Para exemplificar a função digitalRead utilizaremos um botão, como no diagrama a seguir:

15http://www.processing.org/

16 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

Figura 1.8: Esquema elétrico ligando um botão ao Arduino

Montado o circuito acima, vamos programar o Arduino com o seguinte código:

#define BOTAO 2

#define LED 13

void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT);

pinMode(BOTAO, INPUT);

}

void loop() {

if (digitalRead(BOTAO) == HIGH) {

digitalWrite(LED, LOW);

}

else {

digitalWrite(LED, HIGH);

}

}

A função digitalRead nos retorna o valor correspondente à tensão que está na porta que passamos entre parenteses. Em nosso exemplo, utilizamos a porta BOTAO (que na verdade é uma constante, definida através da diretiva #define), cujo valor é 2. O valor retornado é uma constante, mapeado da seguinte forma:

• HIGH, caso a tensão na porta seja 5V;

• LOW, caso a tensão na porta seja 0V;

O que o programa faz, então, é apagar o LED caso o botão esteja pressionado e acendê-lo caso não esteja. Fica como exerćıcio entender o código a seguir, que é uma otimização do anterior e possui mesma funcionalidade:

#define BOTAO 2

#define LED 13

void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT);

pinMode(BOTAO, INPUT);

}

1.6. PORTAS ANALÓGICAS E DIGITAIS 17

void loop() {

digitalWrite(LED, !digitalRead(BOTAO));

}

Dica: o caractere “!”, em linguagem C, significa not e tem como finalidade negar a expressão que segue à sua direita.

PWM

PWM significa Modulação por Largura de Pulso (Pulse-Width Modulation, do Inglês) e consiste em manipu- larmos a razão ćıclica de um sinal (conhecida do Inglês como duty cycle) a fim de transportar informação ou controlar a potência de algum outro circuito. Basicamente, teremos um sinal digital que oscila entre 0V e 5V com determinada frequência (o Arduino trabalha com um padrão perto de 500Hz) – funciona como se fosse um clock, porém os tempos em que o sinal permanece em 0V e 5V podem ser diferentes. Duty cycle é a razão do tempo em que o sinal permanece em 5V sobre o tempo total de uma oscilação. A Figura 1.9 ilustra melhor esse conceito:

Figura 1.9: Sinal PWM com duty cycle de 25%

Assim, temos:

duty cycle = x

x+ y = x

T

O que controlamos através de software é justamente a duty cycle, ou seja, o percentual de tempo em que o sinal fica em 5V. Dessa forma, podemos utilizar essa técnica para limitar a potência de algum circuito. Por exemplo, considere que um LED L1 seja alimentado o tempo inteiro por um sinal constante de 5V; já o LED L2 é alimentado pelo sinal PWM acima (duty cycle de 25%). Através de um cálculo simples de potência podemos notar que o LED L2 consumirá apenas 25% da potência do primeiro.

Infelizmente, por limitações de hardware, o Arduino não possui PWM em todas as portas digitais: apenas as portas 3, 5, 6, 9, 10 e 11 são privilegiadas e podem utilizar esse recurso. Para exemplificar o uso de controle de potência de um circuito utilizando PWM vamos utilizar um LED em série com um resistor ligados à porta 11 (o circuito é o mesmo do experimento Blink, só vamos mudar a porta) e o seguinte código:

#define LED 11

void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT);

}

void loop() {

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

analogWrite(LED, i);

delay(30);

}

}

Na função loop acima temos um laço for, que conta de 0 a 255 (armazenando o valor do contador na variável i), chamando a função analogWrite (passando como parâmetros a porta do LED (11) e i) e esperando por 30 milisegundos a cada iteração.

18 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

A função analogWrite (apesar de estarmos utilizando uma porta digital) é responsável pelo PWM e recebe como parâmetros a porta e um valor entre 0 e 255 – esse valor corresponde ao duty cycle, onde 0 corresponde a 0% e 255 a 100%. Quando você rodar o código perceberá que o LED acende de maneira mais suave – cada etapa de luminosidade diferente corresponde a uma iteração do for. Fica como exerćıcio para o leitor modificar o programa para que o LED, além de acender, também apague suavemente. :-)

1.6.2 Portas analógicas

Além das portas digitais o Arduino possui as portas analógicas. Ao contrário das portas digitais, as portas analógicas são apenas de entrada e nelas podemos ter como entrada infinitos valores de tensão (delimitados na faixa de 0V a 5V). Como os conversores analógico-digitais (ADC – analog-digital converter, do Inglês) do Arduino possuem 10 bits de precisão, a precisão das medições de tensão no Arduino é de por volta de 0,005V ou 5mV.

Figura 1.10: Portas analógicas do Arduino, de 0 a 5

Como os nomes de funções no Arduino são bastante intuitivos, utilizamos a função analogRead para ler valores analógicos – ao chamar a função passamos como argumento o número da porta que desejamos ler (de 0 a 5). Como exemplo vamos regular a luminosidade de nosso LED (utilizando PWM) através da quantidade de luz detectada por um resistor dependente de luz (ou LDR – light dependent resistor, do Inglês). Monte o circuito segundo a figura 1.11.

1.6. PORTAS ANALÓGICAS E DIGITAIS 19

Figura 1.11: Circuito com LDR e LED

Como os conversores analógico-digital possuem 10 bits de precisão, a função analogRead nos devolve um valor entre 0 e 1023, onde 0 corresponde a uma leitura de 0V na porta analógica e 1023 corresponde a 5V (para valores intermediários, basta fazer uma regra de três simples, de maneira análoga com o PWM). Vamos carregar em nosso Arduino o seguinte código:

#define LED 11

#define LDR 5

void setup() {

pinMode(LED, OUTPUT);

}

void loop() {

int leitura = analogRead(LDR);

int valorPWM = - 0.25 * leitura + 255;

analogWrite(LED, valorPWM);

}

Os valores 0.25 e 255 da linha que definem a variável valorPWM devem ser calibrados conforme iluminação do ambiente, resistores utilizados e luminosidade desejada. Para o código acima, teremos o seguinte comportamento do valor que colocamos na porta PWM a partir dos valores lidos na porta analógica:

20 CAPÍTULO 1. CONCEITOS BÁSICOS

Figura 1.12: Gráfico da função PWM versus leitura analógica

Ficam três exerćıcios:

• Aprenda a utilizar um potenciômetro e o utilize para regular o brilho do LED, em vez do LDR;

• Volte o LDR para seu lugar anterior e utilize o potenciômetro para configurar os valores 0.25 e 255;

• Leia o datasheet do circuito integrado LM35 e monte um circuito parecido com o anterior, porém senśıvel a temperatura (e não mais a luz).

Caṕıtulo 2

Fundamentos de Eletrônica

21

22 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE ELETRÔNICA

2.1 Resistores e Lei de Ohm

Resistores são dispositivos utilizados com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica e/ou limitar a corrente elétrica em um circuito. Como o próprio nome sugere, eles têm como função oferecer uma resistência à passagem da corrente elétrica – medimos essa resistência através da unidade Ω (ohm).

Por consequência, eles causam uma queda de tensão na região do circuito onde se encontram – muitas vezes acabamos utilizando esse efeito para conseguirmos tensões intermediárias, caso as fontes de tensão do circuito não consigam fornecê-las. Sabendo-se a tensão e corrente em um resistor, podemos calcular sua resistência através da fórmula:

R = V

I

Por sua vez, a resistência pode ser calculada através das caracteŕısticas do material resistivo:

R = ρL

A

Onde ρ é a resistividade do material, L é seu comprimento e A sua área, ou seja, a resistência é proporcional ao comprimento e indiretamente proporcional à área.

Se, para um determinado circuito, V e I têm uma relação linear, ou seja, R é constante para inúmeros valores de V e I, então chamamos o material (que possui resistência R) de ôhmico.

2.1.1 Resistores em série

Se possuirmos resistores em série em determinado circuito, podemos calcular a resistência equivalente do mesmo somando-se as resistências, através da fórmula:

Req = R1 +R2 + ...+Rn

Figura 2.1: Resistores em série Retirado de http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor

2.1.2 Resistores em paralelo

Caso os resistores estejam em paralelo, a resistência equivalente será o inverso da soma dos inversos das resis- tências, como na fórmula a seguir:

1

Req =

1

R1 +

1

R2 + ...+

1

Rn

Figura 2.2: Resistores em paralelo Retirado de http://en.wikipedia.org/wiki/Resistor

2.2. CAPACITORES E INDUTORES 23

2.1.3 Código de cores

Os resistores possuem um código de cores que nos permite identificar qual sua resistência. Para isso, mapeamos as cores das diversas faixas do resistor e utilizamos a seguinte fórmula:

R = (10a+ b) · 10c ± t,

onde a, b e c são as primeiras faixas e t a última faixa (geralmente prata ou dourada), que representa a tolerância.

Figura 2.3: Código de cores Retirado de http://pt.wikipedia.org/wiki/Resistor

2.1.4 Divisor de tensão

Como citado acima, resistores criam uma queda de tensão na região do circuito em que estão. Utilizando esse efeito, podemos criar o que chamamos de divisores de tensão1: circuitos com resistores que, aplicada uma tensão, têm como sáıda uma fração (dáı o nome divisores) dessa tensão de entrada.

Figura 2.4: Circuito divisor de tensão

A partir do circuito acima, temos que:

Vout = R2

R1 +R2 · Vin

Esse recurso é bastante útil quando precisamos medir um tensão maior do que nossos circuitos conseguem. Por exemplo: se quisermos medir uma tensão que varia de 9 a 12V no Arduino precisaremos colocá-la na faixa de 0 a 5V, já que as portas analógicas do Arduino trabalham nessa faixa menor. Para isso, podeŕıamos utilizar um divisor de tensão cujos valores de resistência resultassem em Vout =

Vin 3 . Dessa forma, os valores lidos em

Vout seriam de 3 a 4V. Porém, atenção: caso precisemos conectar resistores ou outros circuitos resistivos no pino Vout, o cálculo das

tensões muda e Vout passa a depender das novas resistências do circuito.

2.2 Capacitores e indutores

Apesar de não estudarmos a fundo esses dois elementos básicos de circuitos, eles podem ser importantes no desenvolvimento de futuros projetos. Basicamente, capacitores e indutores armazenam energia (pense como

1http://pt.wikipedia.org/wiki/Divisor de tensão

24 CAPÍTULO 2. FUNDAMENTOS DE ELETRÔNICA

uma bateria em que você carrega e descarrega de tempos em tempos, porém com capacidade bem limitada) e são bastante utilizados em filtros de sinais, estabilizadores de tensão, circuitos ressonantes (como transmissores e receptores de rádio), dentre outros.

2.2.1 Capacitores

Os capacitores são componentes que armazenam energia em forma de campo elétrico. São formados por duas placas metálicas com um dielétrico (isolante) no meio. A unidade de medida é o Farad (F), porém como 1 Farad é algo bem grande, comumente encontramos capacitores na casa dos mF (miliFarad), µF (microFarad) e pF (picoFarad).

Figura 2.5: Capacitor eletroĺıtico bastante comum no mercado

Figura 2.6: Representação de um capacitor em circuito elétrico

2.2.2 Indutores

Os indutores são componentes que armazenam energia em forma de campo magnético. Geralmente são formados por bobinas (fio enrolado) com um condutor no meio. A unidade de medida é o Henry (H).

Figura 2.7: Indutores de vários tipos, comuns no mercado

2.3. DIODOS 25

Figura 2.8: Representação de um indutor em circuito elétrico

2.3 Diodos

Diodos são componentes que têm a capacidade de conduzir corrente elétrica em uma direção e bloqueá-la em outra – esse comportamento é chamado de retificação e pode ser utilizado para converter corrente alternada (CA ou AC – alternating current, do Inglês –, a energia que temos em nossas tomadas) em corrente cont́ınua (CC ou DC – direct current, do Inglês –, a forma como as baterias nos fornecem energia). Outros usos de diodo são proteção de circuitos (contra corrente reversa) e extração de modulação de sinais (por exemplo, para uso em circuitos de comunicação sem fio).

Figura 2.9: Foto de um diodo comum no mercado – a faixa menor (cinza, para esse diodo) corresponde ao terminal negativo

Figura 2.10: Representação de um diodo em circuito elétrico

O diodo conduzirá corrente elétrica caso a tensão em seu terminal positivo (+) seja maior que a tensão em seu terminal negativo (−), ou seja, funcionará como um curto-circuito. Caso contrário, ele funcionará como circuito aberto (não conduzirá). É importante notar que para diodos reais existe uma queda de tensão de 0,7V em sua junção P-N e, com isso, a tensão do lado positivo precisa ser maior que a tensão negativa + 0,7V para que ele conduza.

2.4 Transistores

Transistores são dispositivos semicondutores usados como amplificadores ou chaveadores. Sua entrada é uma corrente/tensão que altera a corrente/tensão de sáıda. Os transistores são a base de todos os circuitos integrados e placas modernos – alguns, como os microprocessadores, possuem milhões deles.

Para nossos estudos, iremos focar nos transistores de estrutura bipolar de junção (ou BJT, Bipolar Junction Transistor, do Inglês) com polaridade NPN e PNP, porém existem outros tipos, como os FETs.

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