Circuito de Interface para Microcontroladores, Notas de estudo de Tecnologia Industrial

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Circuitos de Interface para

Microcontroladores

Adaptação livre de parte do documento AXE001_pic_electronics.pdf da Revolution Education Ltd.

Índice

• 1 1. O que é um Microcontrolador PIC ?.....................................................
• 2 2. Interfaceamento do Microcontrolador...................................................
  • 2.1 2.1. Circuitos de interface standard....................................................................
    • 2.1.1 2.1.1. Circuito de interface com transístor............................................................
    • 2.1.2 2.1.2. Circuito de interface com transístor Darlington.........................................
    • 2.1.3 2.1.3. Circuito de interface com relés...................................................................
    • 2.1.4 2.1.4. Circuito de interface com transistor FET...................................................
  • 2.2 2.2. Interface com Dispositivos de saída.............................................................
    • 2.2.1 2.2.1. LED.............................................................................................................
    • 2.2.2 2.2.2. Lâmpada de sinalização..............................................................................
    • 2.2.3 2.2.3. Bezouro ou Buzzer.....................................................................................
    • 2.2.4 2.2.4. Altifalantes piezo-eléctricos.......................................................................
    • 2.2.5 2.2.5. Micromotores..............................................................................................
    • 2.2.6 2.2.6. Motor passo-a-passo unipolar.....................................................................
    • 2.2.7 2.2.7. Motor passo-a-passo bipolar.......................................................................
    • 2.2.8 2.2.8. Servo radio-controlado...............................................................................
    • 2.2.9 2.2.9. Solenóides e válvulas solenóides
  • 2.3 2.3. Interface com Dispositivos de Entrada........................................................
    • 2.3.
    • 2.3.2 2.3.1. Interruptores................................................................................................
      • 2.3.2.1 Interruptores e ressaltos (debouncer)....................................................................
    • 2.3.3 2.3.2. Potenciómetro.............................................................................................
    • 2.3.4 2.3.3. LDR (Light Dependent Resistor)................................................................
    • 2.3.5 2.3.4. Termistor.....................................................................................................
  • 2.4 2.4. Interface com Componentes Avançados......................................................
    • 2.4.1 2.4.1. Display LCD (Liquid Crystal Display).......................................................
      • 2.4.1.
      • 2.4.1.2 2.4.1.1. Caracteres LCD
      • 2.4.1.3 2.4.1.2. Interface de LCD a microcontoladores....................................................

2.1.2. Circuito de interface com transístor Darlington

Se for necessário controlar mais do que um dispositivo, poderá ser aconselhável utilizar um integrado específico, o ULN2003 Darlington driver IC , que contém 7 transístores Darlington e ainda os díodos de roda-livre num único invólucro.

A versão ULN2803 contém 8 transístores. Se for necessário controlar correntes mais elevadas poderão ser ligadas duas saídas como na figura.

2.1.3. Circuito de interface com relés

Os relés podem ser utilizados para accionar dispositivos de maior potência como motores e solenóides. Nesse caso, o relé pode ser alimentado por uma fonte de alimentação separada, por exemplo 12 V. Note o uso do díodo de roda-livre em paralelo com a bobina do relé.

2.1.4. Circuito de interface com transistor FET

Os transístores de Potência MOSFET podem ser utilizados em vez dos pares Darlington para accionamento de dispositivos de média potência. O circuito a utilizar é o da figura. Repare-se no uso do díodo de roda-livre.

Os MOSFETs apresentam uma resistência interna muito baixa (décimas de ohm), pelo que a queda de tensão no transístor é muito reduzida.

2.2. Interface com Dispositivos de saída

2.2.1. LED

Os pinos do microcontrolador PIC podem deixar passar ( sink ) ou fornecer ( source ) correntes de 20 mA, o que significa que é possível ligar directamente um LED a um pino de saída. Lembre-se de que os pinos de um microcontrolador como o PICAXE vêm já configurados, uns como saídas e outros como entradas. Alguns são reprogramáveis. Para limitar a corrente utiliza-se em série uma resistência de 330 ohms.

LED ligado à massa.

Para ligar o LED (ON) - high 1 Para desligar o LED (OFF) - low 1

LED ligado à alimentação.

Para ligar o LED (ON) - low 1 Para desligar o LED (OFF) - high 1

2.2.2. Lâmpada de sinalização

Para interfacear uma lâmpada de sinalização é necessário o circuito com transístor atrás referido. Isso resulta nomeadamente da elevada corrente utilizada pela lâmpada mas também pode ser frequente esta necessitar de uma alimentação diferente da do microcontrolador. Nesse caso é necessário garantir que a massa (0V, GND) é comum às duas alimentações. Importa referir que como o nosso circuito vai ser alimentado por baterias ou pilhas a melhor solução é usar um LED, pois consome menos corrente.

Para ligar a lâmpada - high 1 Para desligar a lâmpada - low 1

2.2.3. Bezouro ou Buzzer

Para interfacear um bezouro (buzzer) é necessário utilizar o circuito a transístor standard. No caso de se utilizar uma alimentação separada é necessário garantir que a massa (0V, GND) é comum às duas alimentações. No caso de se utilizarem baterias ou pilhas como fonte de alimentação, é de lembrar que os altifalantes piezo-eléctricos consomem menos corrente. Além disso os bezouros apenas produzem uma frequência, ao contrário dos altifalantes piezo-eléctricos que permitem reproduzir diferentes frequências.

Para ligar o buzzer -high 1 Para desligar o buzzer -low 1

tivermos um só motor bastam dois pinos. Esta solução irá ser utilizada nos nossos robôs pois além de permitir o accionamento nos dois sentidos dos dois motores, permite ainda o controlo de velocidade por PWM, como se verá mais à frente.

Ambas as entradas baixas - o motor pára Primeira entrada alta, segunda entrada baixa - motor para frente Primeira entrada baixa, segunda entrada alta - motor para trás Ambas as entradas altas - motor pára A mudança dos sinais nos pinos de entrada tem o efeito de produzir a alteração do sentido da corrente no enrolamento do motor, logo do seu sentido de rotação.

Note que o L293D aquecerá com uso intenso. O uso de um dissipador colocado no topo do integrado pode ajudar ao arrefecimento. No caso de montagens em placas pré- perfuradas ( stripboard ) a soldadura às pistas dos quatro terminais de massa centrais pode ajudar a dissipar.

Uma maneira de reduzir os efeitos do ruído eléctrico sobre o microcontrolador, consiste em usar fontes de alimentação separadas para a parte de controlo (microcontrolador) e para os motores. No caso dos robôs que iremos construir, pode usar-se uma vulgar pilha de 9V com regulador de tensão para 5V para a electrónica e um pack de baterias de modelismo (NiCad ou NiMH de 9,6V) para os motores. Naturalmente continua a ser necessário manter um terminal de massa comum às duas alimentações. A separação total de circuitos pode ser realizada usando circuitos optoelectrónicos mas apenas se justifica, face à sua complexidade, no caso de ruído eléctrico excessivo, resultante de comutação de relés ou motores.

2.2.6. Motor passo-a-passo unipolar

Os motores passo-a-passo são motores muito precisos com aplicação corrente em leitores de discos de computadores, impressoras e relógios. Ao contrário dos motores CC, que rodam livremente quando a alimentação é aplicada, os motores passo-a-passo requerem que a alimentação seja aplica segundo um determinado padrão. Para cada impulso, o motor passo-a-passo roda um passo ( step ), normalmente 7.5 graus (o que dá 48 passos para uma rotação completa).

Existem dois tipos principais de motores passo-a-passo - Unipolares e Bipolares.

Os motores unipolares possuem normalmente quatro enrolamentos que são ligados (on) e desligados (off) numa sequência determinada. Os motores bipolares possuem dois enrolamentos nos quais a corrente é invertida numa sequência idêntica. O uso de motores bipolares é tratado no capítulo seguinte.

Cada um dos quatro enrolamentos de um motor unipolar tem que ser comutado on e off numa certa ordem para que o motor rode. Muitos sistemas controlados por microprocessador utilizam quatro pinos de saída para controlar cada um dos quatro enrolamentos.

Como o motor passo-a-passo é alimentado a 12V, é necessário um circuito a transístor para cada enrolamento. Como os enrolamentos são indutivos, é necessário proteger cada transístor com um díodo de roda-livre. O uso do integrado ULN2003 (ou 2803) é neste caso de particular relevância, simplificando o número de componentes e as ligações. A tabela abaixo apresenta os quatro passos necessários para que o motor rode.

Analisando com cuidado a tabela, reparamos que existe um padrão. O enrolamento 2 é sempre o oposto (operação lógica NOT) do enrolamento 1. O mesmo se aplica aos enrolamentos 3 e 4. É assim possível reduzir a metade o número de pinos do microcontrolador necessários para controlar o motor, desde que se acrescentem duas portas lógicas NOT. Na figura seguinte, este sistema é implementado usando os transístores livres como inversores (portas NOT).

Nota: existem várias normas quanto às cores dos condutores do motor.

Antes de começar a programar, existe um outro padrão a verificar na sequência de passos.

Analise a tabela, que mostra os enrolamentos 1 e 3.

Repare que na passagem do passo 1 para o passo 2, apenas muda o enrolamento 3. Repare agora no passo seguinte – só o enrolamento 1 muda. De facto os dois enrolamentos mudam “à vez” de alto para baixo sucessivamente. Esta passagem alto- baixo-alto pode ser descrita como um estado de “toggling”. Isso torna a programação ainda mais simples – basta usar a instrução toggle.

steps: toggle 1 ; Toggle pino 1 pause 200 ; Espera 200 ms toggle 2 ; Toggle pino 2 pause 200 ; Espera 200ms goto steps ; Ciclo

Nota: Se o motor ‘trepidar’, verifique a ordem de ligações dos condutores (cores).

2.2.7. Motor passo-a-passo bipolar

Os motores bipolares possuem dois enrolamentos que têm que ser accionados de modo a que a corrente circule nos enrolamentos pela sequência adequada. A mudança de campo magnético que esses enrolamentos produzem faz com que o motor (rotor) rode por passos. O circuito normalmente utilizado para cada enrolamento é o apresentado na figura seguinte. Repare que existem quatro transístores de controlo, que são activados

impulso de 0,75 a 2,25 milisegundos (ms), repetido cada 18 ms aproximadamente (portanto, temos 50 impulsos por segundo). Com o impulso de 0,75 ms o servo move-se (roda) para uma das extremidades e com o impulso de 2,25 ms para a extremidade oposta. Desse modo, com um impulso de 1,5 ms, o servo roda para a posição central. Se os impulsos terminarem o servo move-se ao acaso. Lamentavelmente, os servos consomem correntes elevadas (de 200 mA a 1 A) e introduzem ruído eléctrico nos condutores de alimentação. Deverão, portanto, ser alimentados por fonte de alimentação separada, como se mostra na figura abaixo. Lembre-se que o condutor de massa (referência) deve ser comum às duas alimentações.

loop: servo 4,75 ; move servo para um dos lados pause 2000 ; espera 2 segundos servo 4,150 ; move servo para posição central pause 2000 ; espera 2 segundos servo 4,225 ; move servo para o outro lado pause 2000 ; espera 2 segundos goto loop ; volta para o início

2.2.9. Solenóides e válvulas solenóides

Um solenóide consiste num êmbolo de ferro colocado no interior de uma bobina (indutância) eléctrica, enrolada em torno de um tubo. Quando se alimenta electricamente a bobina, cria-se um campo magnético que atrai o êmbolo para dentro do tubo. Quando se retira a alimentação, uma mola empurra o êmbolo para fora do tubo. O controlo de um solenóide pode ser efectuado com o circuito a MOSFET atrás descrito.

2.3. Interface com Dispositivos de Entrada

2.3.1. Interruptores

Existe disponível uma enorme variedade de interruptores, mas a maior parte possui dois contactos, que ou estão “abertos” ( off ) ou “fechados” ( on ). Os dois circuitos apresentados abaixo podem ser usados com a maioria dos interruptores.

Com este primeiro circuito o pino de entrada (Pin 0) fica baixo (0) quando o interruptor está aberto e alto (1), quando o interruptor é fechado.

Um programa possível

Vai para ‘salta’ quando o interruptor está aberto : if pin0 = 0 then salta

Vai para ‘salta’ quando o interruptor é fechado : if pin0 = 1 then salta

Com o circuito seguinte o pino de entrada (Pin 0) fica alto (1) quando o interruptor está aberto e baixo (0), quando o interruptor é fechado.

Um programa possível

Vai para ‘salta’ quando o interruptor está aberto : if pin 0 = 1 then salta

Vai para ‘salta’ quando o interruptor é fechado : if pin 0 = 0 then salta

Interruptores e ressaltos (debouncer)

Todos os interruptores mecânicos “ressaltam” quando o interruptor abre ou fecha. Isso significa que os contactos mecânicos “ressaltam” um sobre o outro antes de estabilizarem. Como o microcontrolador é muito rápido, pode acontecer em certos programas que registe dois ou três contactos em vez de registar apenas um. O processo mais simples de ultrapassar este problema é simplesmente acrescentando um tempo de espera (pause 100) depois de cada instrução if …. Se a secção de código a seguir à pressão do botão for longa, este atraso ocorre naturalmente, já que cada instrução leva certo tempo a ser executada. No entanto, se o código não for longo, deve incluir-se um atraso. Outra solução consiste em utilizar a instrução button.

Os dois programas seguintes mostram o efeito dos “ressaltos”. O programa deveria acender o LED no pino 1 quando o interruptor ligado ao pino 0 fosse pressionado mais do que cinco vezes. Contudo o primeiro programa não funciona correctamente, pois o microcontrolador irá contar ressaltos e não os impulsos reais, pelo que o LED acenderá prematuramente.

init: let b0 = 0 main: if pin 0 = 1 then add goto main add: let b0 = b0 + 1 if b0 < 5 then main high 1 goto main

init: let b0 = 0 main: if pin 0 = 1 then add goto main add: pause 100 ; pequeno atraso aqui let b0 = b0 + 1 if b0 < 5 then main high 1 goto main

para níveis de iluminação elevados. Isso pode ser compensado por software, utilizando gamas de variação menores para os níveis escuros. Experimente até encontrar os ajustes adequados ao circuito e às condições de iluminação.

main: readadc 0,b1 ; leitura do valor if b1<50 then light1 ; gama 0-50 = 50 if b1<100 then light2 ; gama 50-100 = 50 if b1<145 then light3 ; gama 100-145 = 45 if b1<175 then light4 ; gama 145-175 = 30 goto main

NOTA: A PICAXE dispõe de uma placa (Analogue Calibration Board – BAS810 ) que permite ver nos displays de 7 segmentos o valor exacto, entre 0 e 255, quando um sensor está lá ligado. Permite tirar leituras nas mais diversas condições de teste de modo a obtermos a melhor gama de valores para um programa. Se quiser consultar mais informações: www.techsupplies.co.uk/cgi-bin/ techsupplies.storefront/ 43afe871050f0efa2740c2c98abb0710/ Product/View/BAS

Exemplo de ligação:

2.3.4. Termistor

Um termistor é uma resistência variável com a temperatura. Na realidade todas as resistências variam com a temperatura, só que os termistores são feitos para terem uma grande variação com a temperatura. A ligação do termistor ao microcontolador é muito simples, mas convém também calibrá-lo (com o BAS810 , por exemplo).

Convém lembrar que a resposta de um termistor não é linear, pelo que as leituras não variam como num potenciómetro. Em geral, existe uma grande variação de resistência para temperaturas baixas. Isso pode ser compensado por software, utilizando gamas de variação menores para os níveis de temperatura mais altos. Experimente até encontrar os ajustes adequados ao circuito e às condições de temperatura.

main: readadc 0,b1 ; leitura do valor if b1<50 then light1 ; gama 0-50 = 50 if b1<100 then light2 ; gama 50-100 = 50 if b1<145 then light3 ; gama 100-145 = 45 if b1<175 then light4 ; gama 145-175 = 30 goto main

2.4. Interface com Componentes Avançados

2.4.1. Display LCD (Liquid Crystal Display)

Um Display de Cristal Liquido é um dispositivo electrónico que permite mostrar caracteres como numeros, texto e quaisquer outros, incluindo pontuação. Existem dois tipos principais de displays LCD, os displays numericos (tipo dos usados nos relógios e calculadoras) e os displays alfanuméricos (como os usados nos telemóveis). Nos displays numéricos o conjunto de cristais está distribuído em segmentos, enquanto que nos alfanunéricos estão sob a forma de pontos.Cada crystal tem uma ligação eléctrica individual por forma a ser controlado independentemente. Quando o cristal está ‘off’ (i.e. quando não há tensão aplicada ao cristal) o cristal não se vê porque reflecte a mesma quantidade de luz que o material do fundo onde está. Contudo, quando o cristal tem uma tensão aplicada, fica polarizado, absorvendo luz e portanto aparecendo um segmento, ou ponto, mais escuro que pode ser visualizado contra o material do fundo. É importante perceber a diferença entre os displays LCD e LED. Os LED fornecem luz (podendo ser vistos na escuridão) enquanto o LCD apenas reflecte a luz que recebe. Em contrapartida há consumo de energia nos LED enquanto que nos LCD praticamente não há consumos.

2.4.1.1. Caracteres LCD

A tabela seguinte mostra os caracteres disponíveis num display LCD típico. O código do character é obtido adicionando o numero da coluna ao número da linha. Os caracteres, do 32 ao 127 são sempre iguais independentemente do LCD, enquanto os characters do 16 ao 31 e do 128 ao 255 diferem conforme o fabricante do LCD. Claro que, sendo assim, alguns LCD poderão mostrar caracteres diferentes dos da tabela ao lado. Do caracter 0 ao 15 são normalmente designados como caracteres ‘user-defined’ e assim, devem ser definidos antecipadamente, de acordo com os manuais de cada fabricante, para evitar que, para esses códigos, apareçam caracteres aleatórios. O funcionamento de um display LCD é relativamente complexo dado que cada display

Ligando o LCD usando o AXE033 (Serial LCD Module)

O AXE033 é um módulo série em PCI (é vendido em kit) já com todas as ligações feitas do LCD para o integrado do firmware. Portanto, o módulo vem-nos ajudar a resolver as ligações necessárias na opção anterior, além de que este módulo permite o uso do protocolo de comunicação i2c.

Ligando o LCD directamente

O LCD tem 6 linhas que podem ser ligadas directamente aos pinos do microcontrolador. Contudo é uma boa prática de projecto ligar resistências de 330R às linhas para proteger de descargas estáticas. O potenciómetro de 10k ligado ao pino 3 tem como missão ajustar o contraste do display. Todas os pinos do LCD não usados, como se vê na figura, devem ficar ligados à massa.

Um Programa Simples para escrever no LCD

O Programa que se segue escreve a frase ‘Hello there!’ em duas linhas do display LCD. Temos que usar três subrotinas standard chamadas init, wrins e wrchr. Elas resolvem todos os nossos problemas não só de inicialização como de envio para o LCD tanto das instruções como das mensagens. Essas rotinas standard fazem exactament o seguinte:

init Faz a inicialização do LCD, deixando-o pronto a aceitar as instruções wrins envia as instruções armazenadas na variável b1 para o módulo LCD wrchr envia um caracter armazenado na variável b1 para ser mostrado no ecrã LCD

Já à frente serão explicadas mais detalhadamente estas três subrotinas.

EEPROM 0,(“Hello there!”) ‘ armazena o texto na memória EEPROM

gosub init ‘initializa o LCD

main: let b1 = 1 ‘b1=1 => instrução ‘clear display’

gosub wrins ‘ envia instrução para o LCD

for b3 = 0 to 4 ‘ciclo for...next (“Hello” 4 caracteres) read b3, b1 ‘ b1=EEPROM[b3] gosub wrchr ‘ envia character para LCD next b3 ‘ continua

let b1 = 192 ‘b1=192 => instrução ‘start of second line’ position gosub wrins ‘ envia instrução para o LCD

for b3 = 5 to 11 ‘ciclo for...next (“there!”-posições 5 a 11) read b3, b1 ‘ b1=EEPROM[b3] gosub wrchr ‘ envia character para LCD next b3 ‘continua

Um Programa mais Avançado

O programa seguinte faz rodar na janela do LCD a mensagem ‘Hello there everybody!’. Isto porque o texto tem mais do que as 16 letras que um ecrã suporta. A mensagem é primeiro armazenada na memória do LCD, indo depois rodando na janela do display repetidamente para que seja mostrada toda a mensagem.

EEPROM 0,(“Hello there everybody!”) ‘ armazena o texto na memória EEPROM

gosub init ‘ initializa o LCD

start: let b1 = 1 ‘b1=1 => instrução ‘clear display’

gosub wrins ‘ envia instrução para o LCD

for b3 = 0 to 22 ‘ ciclo for...next (“Hello there everybody!” 22 caracteres) read b3, b1 ‘ b1=EEPROM[b3] gosub wrchr ‘ envia character para LCD next b3 ‘ continua

let b1 = 12 ‘b1=12 => instrução ‘hide cursor’ gosub wrins ‘ envia instrução para o LCD

main: let b1 = 24 ‘b1=24 => instrução ‘scroll display left’

gosub wrins ‘ envia instrução para o LCD pause 250 ‘ pausa 0.25s goto main ‘ roda a mensagem (“Hello there everybody!”)

Let b2 = b1 * 16 ‘ b2=b1 rodado 4x p/ esquerda. let pins = b2 & 240 ‘ nibble baixo de b1=>fora(+RS=0-instruç). pulsout 3,1 ‘ Pulsa enable pin (envia nibble baixo). high 2 ‘ Modo character return

Nota: na subrotina init , o comando let dirs =252(%11111100) vai afectar os 8 pinos e não apenas os 6 usados pelo LCD. Como se pode ver, nem wrins nem wrchr necessitam dos pinos 0 e 1. Se o nosso programa usar estas rotinas deve ter em conta que, quando retorna da chamada, o valor de b vem alterado (assim como w0).

Usando o conjunto de instruções (comandos) do LCD.

Os códigos das instruções de comando para o LCD, como vimos, devem “ir” na variável b1 quando se chama a subrotina wrins , que se encarrega de modificar o estado do LCD.

Códigos das instruções (comandos) para o LCD.

1 Limpa o display e move para a primeira linha 2 Move o cursor e a janela de display para o início da primeira linha 4 Modo “escrever da direita para a esquerda” 5 Modo ‘scroll para a esquerda’ 6 Modo “escrever da esquerda para a direita” 7 Modo ‘scroll para a direita’ 10 Visualização do LCD off 12 Sem cursor 13 Cursor a piscar 14 Visualização do LCD (e cursor) on 16 Move cursor para a esquerda uma posição 20 Move cursor para a direita uma posição 24 Faz o scroll da janela uma posição para a esquerda 28 Faz o scroll da janela uma posição para a direita 128 Move o cursor para o início da primeira linha 192 Move o cursor para o início da segunda linha

Exemplos

Limpar o display clear: let b1 = 1 ‘ b1=instrução clear call wrins ‘ Envia para o LCD

Mover o cursor para a segunda linha clear: let b1 = 192 ‘ b1=início da segunda linha call wrins ‘ Envia para o LCD

Piscar uma menssagem 10 vezes flash:for b3 = 1 to 10 ‘ for...next usando variable b3(nunca b1!!) let b1 = 10 ‘ b1= Visualização do LCD off gosub wrins ‘ Envia para o LCD pause 200 ‘ Pausa de 0.2 segundos let b1 = 14 ‘ b1= Visualização do LCD on gosub wrins ‘ Envia para o LCD pause 200 ‘ Pausa de 0.2 segundos next b3 ‘ Fim do loop for...next

Fazer scroll a uma mensagem longa (30 caracteres) scroll: for b3 = 1 to 30 ‘ for...next usando variable b3(nunca b1!!) let b1 = 28 ‘ b1= Scroll da janela uma posição p/ direita gosub wrins ‘ Envia para o LCD pause 200 ‘ Pausa de 0.2 segundos next b3 ‘ Fim do loop for...next let b1 = 1 ‘ b1=instrução clear gosub wrins ‘ Envia para o LCD pause 200 ‘ Pausa de 0.2 segundos goto scroll ‘ Loop