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Trabalho final do curso de automação
Tipologia: Trabalhos
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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DO CEARÁ- cefet
Hommel Almeida / Joel / Marcílio / Lyrane 17/7/
Neste trabalho será abordado as diferentes interfaces em que um microcontrolador pode atuar, alem de sua história e as diferenças de microcontrolador e microprocessadores
Apesar de um grande conhecimento prévio necessário para criar um projeto microcontrolado, só existem vantagens a partir do momento em que se domina essa tecnologia. Na verdade não é possível desenvolver muitos circuitos eletrônicos realmente interessantes hoje em dia sem utilizar essa tecnologia. Grande parte dos projetos que no passado eram feitos com centenas de componentes discretos podem hoje ser feitos com microcontroladores e alguns circuitos de apoio, reduzindo o tempo de desenvolvimento e principalmente o custo desses produtos.
As circunstâncias que nos deparamos hoje no campo dos microcontroladores têm os seus primórdios no desenvolvimento da tecnologia dos circuitos integrados. Este desenvolvimento tornou possível armazenar centenas de milhares de transístores num único chip. Isso constituiu um pré-requisito para a produção de microprocessadores e, os primeiros computadores foram construídos adicionando periféricos externos tais como memória, linhas de entrada e saída, temporizadores e outros. Um crescente aumento do nível de integração, permitiu o aparecimento de circuitos integrados contendo simultaneamente processador e periféricos. Foi assim que o primeiro chip contendo um microcomputador e que mais tarde haveria de ser designado por microcontrolador, apareceu.
História
É no ano de 1969 que uma equipa de engenheiros japoneses pertencentes à companhia BUSICOM chega aos Estados Unidos com a encomenda de alguns circuitos integrados para calculadoras a serem implementados segundo os seus projectos.
A proposta foi entregue à INTEL e Marcian Hoff foi o responsável pela sua concretização. Como ele tinha tido experiência de trabalho com um computador (PC) PDP8, lembrou-se de apresentar uma solução substancialmente diferente em vez da construção sugerida.
Esta solução pressupunha que a função do circuito integrado seria determinada por um programa nele armazenado. Isso significava que a configuração deveria ser mais simples, mas também era preciso muito mais memória que no caso do projecto proposto pelos engenheiros japoneses. Depois de algum tempo, embora os engenheiros japoneses tenham tentado encontrar uma solução mais fácil, a ideia de Marcian venceu e o primeiro microprocessador nasceu.
Ao transformar esta ideia num produto concreto, Frederico Faggin foi de uma grande utilidade para a INTEL. Ele transferiu-se para a INTEL e, em somente 9 meses, teve sucesso na criação de um produto real a partir da sua primeira concepção. Em 1971, a INTEL adquiriu os direitos sobre a venda deste bloco integral. Primeiro eles compraram a licença à companhia BUSICOM que não tinha a mínima percepção do tesouro que possuía.
Neste mesmo ano, apareceu no mercado um microprocessador designado por 4004. Este foi o primeiro microprocessador de 4 bits e tinha a velocidade de 6 000 operações por segundo. Não muito tempo depois, a companhia Americana CTC pediu à INTEL e à Texas Instruments um microprocessador de 8 bits para usar em terminais. Mesmo apesar de a CTC acabar por desistir desta ideia, tanto a Intel como a Texas Instruments continuaram a trabalhar no microprocessador e, em Abril de 1972, os primeiros microprocessadores de 8 bits apareceram no mercado com o nome de 8008. Este podia endereçar 16KB de memória, possuía 45 instruções e tinha a velocidade de 300 000 operações por segundo. Esse microprocessador foi o pioneiro de todos os microprocessadores actuais. A Intel continuou com o desenvolvimento do produto e, em Abril de 1974 pôs cá fora um processador de 8 bits com o nome de 8080 com a capacidade de endereçar 64KB de memória, com 75 instruções e com preços a começarem em $360.
Uma outra companhia Americana, a Motorola, apercebeu-se rapidamente do que estava a acontecer e, assim, pôs no mercado um novo microprocessador de 8 bits, o 6800. O construtor chefe foi Chuck Peddle e além do microprocessador propriamente dito, a Motorola foi a primeira companhia a fabricar outros periféricos como os 6820 e 6850. Nesta altura, muitas companhias já se tinham apercebido da enorme importância dos microprocessadores e começaram a introduzir os seus próprios desenvolvimentos. Chuck Peddle deixa a Motorola para entrar para a MOS Technology e continua a trabalhar intensivamente no desenvolvimento dos microprocessadores.
Em 1975, na exposição WESCON nos Estados Unidos, ocorreu um acontecimento crítico na história dos microprocessadores. A MOS Technology anunciou que ia pôr no mercado microprocessadores 6501 e 6502 ao preço de $25 cada e que podia satisfazer de imediato todas as encomendas. Isto pareceu tão sensacional que muitos pensaram tratar-se de uma espécie de vigarice, considerando que os competidores vendiam o 8080 e o 6800 a $179 cada. Para responder a este competidor, tanto a Intel como a Motorola baixaram os seus preços por microprocessador para $69,95 logo no primeiro dia da exposição. Rapidamente a Motorola pôs uma acção em tribunal contra a MOS Technology e contra Chuck Peddle por violação dos direitos de
Dispositivo de seleção de entrada e saída – faz a comunicação das posições de memória com os pinos externos do microcontrolador;
Temporizadores e Contadores – utilizados para contar tempo ou contar eventos;
Diagrama de blocos de um temporizador/contador para PIC16C
Clock – em alguns microcontroladores o gerador de sinal de clock é também acoplado ao microprocessador dentro do CI, ele tem a função de sincronizar todos os eventos de um circuito
digital;
Diagrama de Blocos de um Microcontrolador
Microcontroladores são encontrados com maior freqüência em dispositivos de controle automático. Devido seu consumo de energia, tamanho e custo torna viável o controle
eletrônico de uma gama de processos. Com isso eles podem ser encontrados em sistemas de controle em motores de automóveis, controles remotos, máquinas de escritório, ferramentas e brinquedos, praticamente todos os dispositivos eletrônicos digitais que nos cercam possuem microcontroladores.
De certo modo eles foram de igual ou superior importância para revolução dos produtos eletrônicos quanto os computadores, isto se afirma devido ao fato de que muitos aparelhos que estavam com a evolução estagnada a anos só evoluíram com a aplicação de microcontroladores que permitiu a integração com sensores digitais e memórias diversas. O caso mais recente são os motores de combustão que a muito tempo evoluíam de forma simplória e linear, mas com a aplicação de microcontroladores puderam melhorar consideravelmente
desde a aplicação de biocombustíveis como também nas práticas de redução de resíduos poluentes.
Contudo os microcontroladores estão presentes em produtos mais simples também, como por exemplo as TV’s. Nela o microcontrolador obtém a entrada a partir de um controle remoto e exibe a saída na tela. Ele também controla o seletor de canais, bem como o sistema de alto falantes e suas propriedades (graves, medis e agudos) e alguns ajustes básicos dos componentes eletrônicos do tubo de imagem (no caso das TV’s que ainda utilizam essa tecnologia) como a intensidade de brilho, contraste, nitidez. Nos carros existem microcontroladores para controle do motor que obtém a entrada de dados a partir de sensores específicos, como os sensores de gases para oxigênio (O²), sensor de gases para resíduos de
detonação (CO²) e assim determina e controla a mistura de combustível, temporização para energizar as velas, entre outras tarefas. Outra aplicação bem comum é o uso em fornos microondas que utilizam os dados obtidos a partir da digitação no teclado e exibe num monitor LCD o resultado esperado e a partir dos dados digitados controla o desligamento do gerador de microondas através de um relé.
Dependendo da utilização do microcontrolador poderá haver uma variação do microprocessador utilizado. Em alguns telefones celulares mais antigos, são utilizados processadores Z-80 da zillog, já um GPS Garmin, contém um processador Intel 80386 que era usado em computadores pessoais (os famosos 386). Em outros produtos como fornos microondas, são utilizados chips de microcontrolador dedicados que foram originalmente
projetados para serem utilizados como CPU’s econômicas, pequenos, embutidas e de baixo custo como o Motorola 6811 e o Intel 8051. Também são utilizados os Microcontroladores PIC’s nesses casos, por serem bastante minimalistas e extremamente econômicos. Nesses produtos não existe grande sobre a CPU e um dos aspectos importantes que se deseja obter do produto é o preço final.
Outro exemplo clássico da utilização de microcontroladores são os antigos toca- fitas. Ele possui um motor CC que deve manter a velocidade angular constante para permitir uma melhor fidelidade de reprodução, em alguns deles são utilizados microcontroladores 83C51FA para controlarem essa velocidade utilizando a saída PWM dele variando a tensão média entregue ao motor. Neste exemplo, muito pouco hardware é requisitado para o uso,
apenas um driver, pois o microcontrolador não tem como fornecer corrente e tensão necessária ao motor, este driver é conhecido como Driver Circuit que faz a entrega da corrente e tensão através do sinal proveniente do microcontrolador, também devemos levar em consideração também que motores geram ruídos que podem interferir no funcionamento do microcontrolador,
Contudo, onde se vê os maiores avanços dessa tecnologia e a maior utilização de microcontroladores especializados é no setor militar. Nas operações recentes das tropas
americanas, pudemos observar a utilização de armas precisas e de certo modo “inteligentes” e também de robôs controlados à distancia para operações de reconhecimento e salvamento. Tipos semelhantes de tecnologia utilizando microcontroladores especializados podem ser usados em edifícios em chamas para a busca de seres humanos, resgate em locais atingidos por terremotos, ou penetrar em ambientes perigosos em casos de emergência ou para fins de pesquisa. A NASA é uma das empresas que mais investem em utilização de microcontroladores especializados, principalmente devido á grande demanda de substituição de homens por robôs nos trabalhos de exploração espacial.
De uma forma mais sucinta, pode-se afirmar que mais da metade dos microcontroladores comercializados hoje são bastante simples, para uso em aparelhos
domésticos e no setor de serviços e apenas pouco mais de 20% são microcontroladores mais específicos e especializados, e seguindo os termos da evolução, e a demanda de consumo por produtos que ofereçam maior comodidade e utilidade, a tendência é o barateamento do preço e o ingresso desses microcontroladores versáteis também nos componentes mais comuns.
Vamos abordar os diferente modos de utiliazção de interface para o microcontrolador.
Muitos dos dispositivos de saída irão necessitar de um circuito de comutação por transístor. Para a maioria dos casos um par Darlington formado por dois transístores é ideal.
Contudo, este circuito necessita de dois transístores separados. É possível
adquirir um dispositivo contendo os dois transístores num único encapsulamento. Estes transístores designam-se Darlington e possuem elevado ganho. Um transístor como o BCX38B pode accionar correntes até 800 mA. Este será o transístor utilizado em todos os exemplos deste manual.
Note que é comum colocar um díodo invertido em paralelo com o dispositivo controlado (díodo de roda-livre). Isto é essencial para cargas indutivas, como são os casos de motores e relés. Sempre que se desliga um destes dispositivos cria-se uma corrente inversa que iria destruir o transístor. Poderá ser usado um vulgar díodo 1N4001.
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.
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.
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.
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 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.
Muitos projectos requerem a utilização de motores de corrente contínua (CC) baratos para criar movimento circular. Existem várias possibilidades de interfacear motores ao
microcontrolador.
O circuito da figura utiliza transistores Darlington para accionar o motor. Este circuito funciona bem com motores CC de brinquedos baratos. No entanto importa acautelar o facto de que os motores produzem muito ruído eléctrico nas linhas de alimentação do microcontrolador, podendo levá-lo a deixar de funcionar.
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.
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.
