A plataforma arduino

Periféricos úteis em eletrônica analógica

Entrada e saída digital (Input Output - IO)

• Também é possível ler tensões em Dx:
  • Se \(V_{Dx} < 0.3 V_{CC}\), então lê o valor \(0\). (\(V_{Dx}<1.5V\))
  • Se \(V_{Dx} > 0.7 V_{CC}\), então lê o valor \(1\). (\(V_{Dx}>3.5V\))
  • E se \(1.5\text{ V}<V_{Dx}<3.5\text{ V}\)?

Saída digital

• Façamos o arduino dar um sinal de vida.
• Abrir a Arduino IDE.
• Abrir o exemplo em Arquivo\Exemplos\01. Basics\Blink
• Compilar (\(\rightarrow\)) e observar…
• Mais detalhes sobre exemplos incluídos podem ser acessados em www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples

Dissecando o Blink - Comentários

/*
  Blink
  Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.

  Most Arduinos have an on-board LED you can control. On the UNO, MEGA and ZERO
  it is attached to digital pin 13, on MKR1000 on pin 6. LED_BUILTIN is set to
  the correct LED pin independent of which board is used.
  If you want to know what pin the on-board LED is connected to on your Arduino model, check
  the Technical Specs of your board  at https://www.arduino.cc/en/Main/Products
*/

• Dificulta a colaboração entre o programador original e outros, bem como ele mesmo no futuro.

• Comentário ao final de uma linha:

  int x; //Comentario

• Comentário utilizando muitas linhas:

  \* Comentario *\

Configurações iniciais

• Configurações iniciais do sistema (void setup(){})

  void setup() {
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); // initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
  }

• Cada vez que o microcontrolador inicializa ele precisa ser ‘informado’ sobre o que cada periférico deve realizar.
• Neste caso, queremos apenas informar que o pino do led embutido LED_BUILTIN será usado como uma saída.
• função pinMode(pin, type);, onde pin=LED_BUILTIN e type=OUTPUT
• Nota: Funções em geral são chamadas como funcao(argumentos)
• Nota: Ao final de cada linha de código em C, terminar com ;

• Nota: Blocos de código começam com { e terminam com }

Dissecando o Blink - Loop do sistema

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                       // wait for a second
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                       // wait for a second
}

• pseudo-código:

  1) Pino do LED com tensão alta (+5V);
  2) Aguarda 1000ms;
  3) Pino do LED com tensão baixa (+0V);
  4) Aguarda 1000ms;
  5) Retorna ao passo 1).    

• As funções disponíveis para o arduino podem ser acessadas em arduino.cc/en/Reference

• Exemplo: informações a respeito de digitalWrite(pin, Value) e delay(ms).

Exercícios

• No código original, o LED pisca a 0.5 Hz. Modifiquem o código para que o LED pisque a uma taxa de 1 Hz.
• Faça com que o led pisque apenas uma única vez.
• Faça com que o led pisque apenas 3 vezes.

Eletrônica do Blink

• Problema: que modificações precisaríamos fazer no programa e no circuito para que o led utilize o pino 10?
• Importante: Faremos outro exercício a seguir, mas não remova nada da montagem atual

Leitura digital de tensão

• Nos exemplos anteriores, o arduino controla um led. Este sinal sai do arduino.
• Queremos também enviar sinais para controlar o arduino. O sinal entra no arduino.
• Ex.: Um botão para controlar o volume de um som enviado a um auto-falante.
• Inicialmente, vamos considerar apenas a entrada de sinais digitais.
• Lembrando…
  • Se \(V_{Dx} < 0.3 V_{CC}\), então lê o valor \(0\). (\(V_{Dx}<1.5V\))
  • Se \(V_{Dx} > 0.7 V_{CC}\), então lê o valor \(1\). (\(V_{Dx}>3.5V\))

Circuito equivalente

• Como representar um botão ideal em um circuito?
• Circuitos aberto (Não há contato elétrico) e fechado (Há contato elétrico).
• Como converter a informação de que o contato elétrico foi realizado ou não em uma tensão?
• 2 estados representáveis por uma resistência efetiva:
  • Aberto (\(R=\infty\)) queremos que \(V\rightarrow 0\) V
  • Fechado (\(R=0\)) queremos que \(V\rightarrow 5\) V
• Podemos usar um divisor de tensão
  • \(V_O = \frac{R_2}{R_1+R_2} V_{CC}\)
  • O botão deve ser \(R_1\) ou \(R_2\) para satisfazer as condições acima? O que acontece se trocarmos o resistor e o botão no circuito?

Leitura do estado do botão

Analisando o DigitalReadSerial

int pushButton = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // initialize serial communication at 9600 bits per second:
  pinMode(pushButton, INPUT); // make the pushbutton's pin an input:
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(pushButton); // read the input pin:
  Serial.println(buttonState); // print out the state of the button:
  delay(1);        // delay in between reads for stability
}

• Operador atribuição (=) armazena o valor 2 na variável pushButton
• Em outras palavras, se nenhuma modificação for realizada em pushButton e perguntarmos o seu valor posteriormente, obteremos 2.

Algumas operações

int pushButton; \\Declaração da variável global

void setup(){
  pushButton = 2;
  (...)
}

• Operações matemáticas: soma(+), subtração(-), multiplicação(*), divisão(/). Podemos também obter o resto da divisão de um inteiro por meio do operador módulo(%).
• Operações matemáticas podem ser agrupadas utilizando-se parênteses (1+2)/3==1
• Outras funções (\(\cos,\exp\)…) podem ser vistas em arduino->Refs.

Analisando o DigitalReadSerial

int pushButton = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // initialize serial communication at 9600 bits per second:
  pinMode(pushButton, INPUT); // make the pushbutton's pin an input:
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(pushButton); // read the input pin:
  Serial.println(buttonState); // print out the state of the button:
  delay(1);        // delay in between reads for stability
}

Analisando o DigitalReadSerial

int pushButton = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600); // initialize serial communication at 9600 bits per second:
  pinMode(pushButton, INPUT); // make the pushbutton's pin an input:
}

void loop() {
  int buttonState = digitalRead(pushButton); // read the input pin:
  Serial.println(buttonState); // print out the state of the button:
  delay(1);        // delay in between reads for stability
}

Exercício

1. Utilizando o circuito do exemplo Blink, e partindo do código do exemplo DigitalReadSerial, faça com que o LED acenda quando o botão é pressionado.

Leitura analógica da tensão

• Nos exemplos anteriores, vimos como usar o arduino como uma fonte de tensão binária (0V e +5V, via digitalWrite) e como um medidor binário de tensão (usando o digitalRead).
• Estamos interessados também em medir tensões analógicas

Conversor ADC

• ADC (Analog to Digital Converter)
• Medição da tensão entre 0 e 5V com uma resolução de 10 bits. Ou seja, o intervalo 0-5V é dividido em \(2^{10}=1024\) intervalos.
• Osciloscópios digitais possuem tipicamente uma resolução de 8-10 bits.
• Realiza até 10.000 medidas por segundo (10Ksps).

Sinal analógico de um potenciômetro

Medida de tensão analógica usando o arduino

Variáveis de ponto flutuante

• Vale perceber no exemplo anterior que o resultado da medida analogRead(A0) é um valor inteiro, enquanto a tensão analógica \(V_{\text{pot}}\) é um número real.
• Para calcular com números reais, utilizamos variáveis tipo ponto flutuante.
• tipos principais (linguagem C): float e double.
  • declaração: float x = 1.135;
  • x é uma variável que armazena números inteiros, cujo valor é igual a 1.135
  • Separador decimal: .
  • No ATmega, float e double são equivalentes.
  • Num programa em C para computador, o double possui o dobro de bits, e pode ser usado para cálculos de maior precisão.

Detalhe importante sobre o cálculo com ponto flutuante

void setup() {
  Serial.begin(9600); // Inicia o envio de dados via comunicacao serial
}
void loop() {
  float var; //Declaracao da variavel local
  var = 1+1;
  Serial.println(var); //Envia o valor da variavel via serial
  delay(100);
}

Detalhe importante sobre o cálculo com ponto flutuante

• Ao avaliar expressões numéricas cujo resultado é um ponto flutuante, é importante indicar que os números iniciais são do tipo float. Caso contrário, o compilador interpretará a equação como sendo no domínio dos inteiros!
• Testem agora var = 3./2.;
• O número contendo um separador decimal é automaticamente interpretado como float.
• Detalhe final: cálculos envolvendo float’s são bem mais complicados para o processador do que aqueles envolvendo inteiros. Desta forma, se quisermos cálculos mais rápidos devemos evitar usar float.

Exercício

• Abram novamente o exemplo em Arquivo/Exemplos/01. Basics/AnalogReadSerial.
• O sinal mostrado no monitor serial corresponde a um valor inteiro associado à medida de tensão no pino Analog 0 (A0). Sabendo que a resolução da medida é 10 bits (0-1023), e que o valor máximo corresponde a 5V, convertam sensorValue para tensão.
• Nota: Em geral, quando utilizamos algum sensor, este sensor converte uma grandeza física em tensão. (ex.: \(^OC/V\)), enquanto o arduino mede tensões. Desta forma, para usar um sensor precisamos converter o sinal a ser medido para tensão para então saber qual foi o valor da grandeza medida.

Saída quase-analógica

Exercício: LED com brilho ajustável

Análise do loop

int led = 9;
int brightness = 0;
int fadeAmount = 5;

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

void loop() {
  analogWrite(led, brightness);
  brightness = brightness + fadeAmount;

  if (brightness <= 0 || brightness >= 255) {
    fadeAmount = -fadeAmount;
  }
  delay(30);
}

Timers

• A saída PWM é um sinal oriundo de um relógio interno.
• Conforme dito anteriormente, as medidas de tempo usando o arduino podem ser bastante precisas (\(<1\,\mu\text{s}\))
• Algumas funções relevantes:
  • delay(ms): pausa o arduino por um tempo de ms milissegundos
  • delayMicroseconds(us): pausa o arduino por us microssegundos
  • unsigned long time = millis(): A função millis() lê o tempo do relógio interno em milissegundos. Este valor pode ser armazenado numa variável para comparação de tempos entre diferentes eventos. Neste caso, o valor é armazenado na variável time
  • millis(): Equivalente a função millis(), porem lê o tempo do relógio interno na escala de microssegundos

Exercício: Blink sem delay

Análise do código

const int ledPin =  LED_BUILTIN; // the number of the LED pin
int ledState = LOW;              // ledState used to set the LED
unsigned long previousMillis = 0;// will store last time LED was updated
const long interval = 1000;      // interval at which to blink (milliseconds)

(...)

void loop() {
  unsigned long currentMillis = millis();

  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
    // save the last time you blinked the LED
    previousMillis = currentMillis;

    if (ledState == LOW) {
      ledState = HIGH;
    } else {
      ledState = LOW;
    }
    digitalWrite(ledPin, ledState);
  }
}

Desafio

1. Faça um medidor de reflexo. Conecte um LED e um botão ao arduino. Ligue um LED um certo tempo após o início do arduino, e verifique com quanto tempo uma pessoa consegue acionar o botão. Mostre resultado da medida de tempo no monitor serial usando a função Serial.println(intervalo de tempo);

Sugestão: inicie partindo da seguinte configuração inicial:

unsigned long tempo = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  delay(5000);
  pinMode(buttonPin, INPUT); pinMode(ledPin, OUTPUT);
  digitalWrite(ledPin, HIGH); // liga o LED após 5 segundos do início do sistema
  tempo = millis();
}

void loop() {
  \* seu código aqui *\
}