Prototipação eletrônica com Arduino

PROTOTIPAÇÃO ELETRÔNICA
CESAR SCHOOL - MESTRADO EM DESIGN

OBJETIVO
▸desenvolver técnicas de prototipação com
sistemas computacionais

CONTEÚDO
▸ computação física
▸ conceitos básicos de eletricidade
▸ conceitos básicos de eletrônica
▸ plataforma arduino
▸ sinais analógicos e digitais
▸ sensores e atuadores

PERGUNTAS

COMPUTAÇÃO FÍSICA

▸ uso de computação e eletrônica [sensores e atuadores] na
prototipação de objetos físicos para interação com seres humanos
▸ comportamento implementado por software
▸ utilização de microcontroladores

▸ o objetivo é interligar o mundo físico com o mundo virtual
▸ usar a computação e a interação com a tecnologia para o
desenvolvimento das atividades pessoais
▸ meio para comunicação e interação entre pessoas

COMO VEMOS OS
COMPUTADORES?

TECLADO
MOUSE
CPU
MONITOR
CAIXAS DE SOM
interação com o computador

COMO OS COMPUTADORES
NOS VEEM?

DEDOS  
[TECLADO/MOUSE]
OLHO  
[MONITOR]
DUAS ORELHAS  
[CAIXAS DE SOM]
reflexo das entradas e saídas do
computador

“MUDAR A FORMA QUE OS
COMPUTADORES NOS VEEM
MUDARÁ COMO ELES
INTERAGEM CONOSCO”
Tom Igoe – Physical Computing

DÚVIDAS?

ANTES DA
COMPUTAÇÃO…

CONCEITOS BÁSICOS DE ELETRICIDADE

eletricidade - interação entre partículas atômicas
universo formado de átomos.
partículas atômicas:
prótons: cargas positivas
elétrons: cargas negativas

Atomos com mais elétrons que
prótons estão carregados
negativamente (íon negativo)
 
Atomos com menos elétrons
que prótons estão carregados
positivamente (íon positivo)
“buraco”
“elétron extra”

cargas iguais se repelem cargas opostas se atraem
 
cargas em movimento  
geram campo magnético
 
campo magnético em movimento  
gera corrente elétrica
NS

isolante – evita a passagem de elétrons
condutor – permite o fluxo de elétrons

DIFERENÇA DE POTENCIAL - TENSÃO (V)
cargas negativas
quanto maior a tensão, mais “força” teem os elétrons
diferença de potencial
ou tensão.
cargas positivas
V

CORRENTE ELÉTRICA (I)
quanto maior a corrente,
maior a “quantidade” de elétrons
fluxo de elétrons em um condutor

corrente contínua
corrente alternada

inversão de polaridade no tempo
mesma polaridade no tempo (sentido continuo)

RESISTÊNCIA ELÉTRICA (R)
propriedade do material condutor em reduzir
a passagem dos elétrons
elétrons “se acumulam e batem”
no condutor, “dissipando” sua energia
(gerando calor)

LEI DE OHM
V = R x I
a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um
condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o
percorre e à sua resistência (R)
V
R I R = V/I
I = V/R

CIRCUITO ELÉTRICO
+
–
V
i
R
gerador
[fonte]
condutor
[caminho]
carga
[consumidor]

PLATAFORMA
ARDUINO

PLATAFORMA ARDUINO
▸ microcontrolador Atmel
▸ programação usando Wiring (subconjunto de processing,
baseado em C/C++)
▸ open-source: evolução da plataforma através de
contribuições dos usuários

PLATAFORMA ARDUINO - HARDWARE
minililypad
boarduino
paperduino mega
pro
UNO

PLATAFORMA ARDUINO
HARDWARE
▸ Portas
▸ 14 entradas/saídas digitais
▸ 6 entradas analógicas
▸ Memória
▸ RAM: 2K
▸ Flash (programa): 32k
▸ Processamento: 16MHz

PLATAFORMA ARDUINO - HARDWARE

PLATAFORMA ARDUINO - INSTALAÇÃO
▸ Driver:
▸ depende da placa e do SO
▸ IDE:
▸ versão para cada SO

PLATAFORMA ARDUINO - INSTALAÇÃO
▸ Selecionando placa e porta serial

PLATAFORMA ARDUINO - AMBIENTE
área de código
área de status
compilar
(verif. programa)
Enviar p/ placa
abrir
salvar
exibir serial
Novo

SENSORES E ATUADORES
PLATAFORMA ARDUINO

PLATAFORMA ARDUINO
ESTRUTURA DO SKETCH

LINGUAGEM
▸ linguagem baseada em C (mas bem mais fácil)
▸ comandos básicos
▸ pinMode() – deﬁne um pino com entrada ou saída
▸ digitalWrite() – liga ou desliga uma saída digital
▸ delay() – “espera” um determinado tempo
PLATAFORMA ARDUINO - ATUADORES

LINGUAGEM
▸ Exemplos:
▸ pinMode(13, OUTPUT);
▸ digitalWrite(13, HIGH);  
valor é LOW ou HIGH (0 ou 1)
▸ delay(1000);

ATIVIDADE PRÁTICA!

ATIVIDADE PRÁTICA!
▸fazer o programa hello arduino, que pisca um led
▸use o pino 13 de saída digital, a placa já possui um
led ligado a ele :-)

HELLO ARDUINO!

DÚVIDAS?

LINGUAGEM
▸ Escrita analógica:
▸ analogWrite() – Escreve um valor analógico em uma saída PWM
▸ analogWrite(9, 128); 
valor entre 0 e 255 (8 bits)

ESCRITA ANALÓGICA - MODULAÇÃO PWM
▸ a função analogWrite() escreve “pulsos”
muito rápidos (2 KHz) no pino digital (só
funciona nos pinos marcados como
PWM ~).
▸ o valor a ser escrito representa a
percentagem de tempo que o pulso ﬁca
em nível alto, e varia de 0 a 255.
▸ quanto mais tempo o pulso permanecer
em nível alto, maior é a “tensão média”
da saída.

LINGUAGEM - VARIÁVEIS
▸ Espaço reservado na memória para armazenamento de valores
▸ Variáveis são declaradas de acordo com o tipo de dado a ser armazenado (int,
long, char, etc…)
tipo nome = valor;
Exemplo:
int x = 10;
int y = 20;
int resultado;
char vogal = ‘a’;
resultado = x + y;

LINGUAGEM - LAÇOS DE REPETIÇÃO
for (inicialização; condição; incremento) {
//comando(s);
}
for (int i=0; i <= 255; i++){
analogWrite(9, i);
delay(10);
}
for (int i=255; i >= 0; i--){
analogWrite(9, i);
delay(10);
}

MAIS PRÁTICA!

PLATAFORMA ARDUINO - ELETRÔNICA
PROTOBOARD

PROTOBOARD

JUMPERS

RESISTORES
tipos:
carvão [carbono]
filme
fio
resistência:
fixo
variável
transformam energia elétrica em energia térmica 
[pode ser usado como atuador]

RESISTORES - CÓDIGO DE CORES

AGORA SIM, PRÁTICA!

ATIVIDADE PRÁTICA!
▸modiﬁcar o programa hello arduino para acender o
led com efeito de “fading” (acender gradativamente)
▸dica: use analogWrite() em vez de digitalWrite(),
variando os valores escritos, de 0 a 255

CIRCUITO
Figura retirada de http://arduino.cc/

ESQUEMÁTICO

PROTOBOARD

PLATAFORMA ARDUINO - SENSORES
SENSORES DIGITAIS - CHAVES (SWITCHES)
▸ interrompe a passagem da corrente elétrica
▸ liga/desliga o circuito
▸ sensor de toque

LINGUAGEM
▸ Leitura digital:
▸ digitalRead() – le um pino de entrada
▸ Exemplo:
int chave = 0;
chave = digitalRead(2);  

LINGUAGEM - ESTRUTURAS CONDICIONAIS
if (condição) {
//comando(s) executado(s) se condição verdadeira;
} else {
//comando(s) executado(s) se condição falsa;
}
int chave = 0;
chave = digitalRead(2);  
if (chave == 1) {
digitalWrite(13, 1);
} else {
digitalWrite(13, 0);
}

SWITCHES - CIRCUITO
▸ Arduino lê tensões de entrada
digital
▸ 5V = HIGH (1)
▸ 0V = LOW (0)
▸ Um switch poderia conectar
um pino de entrada digital
aos 5V da placa

SWITCHES - CIRCUITO
▸ Quantos volts tem no pino de
entrada digital quando o switch
está aberto (não pressionado)? 
 
▸ Um pino só possui 0V se estiver
conectado ao 0V (GND) da
placa. Se não estiver
conectado, seu valor de
entrada "ﬂutua".

SWITCHES - CIRCUITO
▸ Solução: conectar o pino ao
GND!
▸ERRADO!!!
ISSO PROVOCA
UM CURTO
CIRCUITO!!!

SWITCHES - CIRCUITO
▸ Solução: adicionar um resistor
de pull down! 
▸ Esse resistor “puxa" o valor do
pino para 0V quando o switch
está aberto. 
▸ O resistor também limita a
corrente evitando curto circuito.

ATIVIDADE PRÁTICA!

ATIVIDADE PRÁTICA!
▸ fazer o circuito e o programa para acender o LED 13 de acordo com o
sinal de entrada do pino 2.

DÚVIDAS?

SINAIS ANALÓGICOS E DIGITAIS
▸ sinal com variação
discreta no tempo
(valores pré deﬁnidos). 
 
▸ sinal com variação
contínua no tempo
(valores reais).

CONVERSÃO DE SINAIS
▸ O valor analógico é lido em intervalos regulares de tempo
(sampling rate) e convertido em um número digital.

▸ Uma entrada analógica pode, então, assumir vários valores (não só 0
e 1). A quantidade de valores é a resolução.

▸ Resolução de 8 bits: 256 valores
▸ Resolução de 16 bits: 65536 valores

COMO FUNCIONA UM RESISTOR VARIÁVEL?
▸ Resistencia ﬁxa entre os terminais laterais do resistor
▸ Terminal central "se move" de um lado para o outro

COMO FUNCIONA UM RESISTOR VARIÁVEL?
▸ No Arduino, o valor da tensão é transformado em um número digital
entre 0 e 1023

SENSORES ANALÓGICOS - PRÁTICA I
▸ Ler o valor do resistor variável e ligar o LED 13 se esse valor passar
de 512.

SENSORES ANALÓGICOS - PRÁTICA II
▸ Acender o LED no pino 9 gradativamente, de acordo com o valor do
potenciômetro.

PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
PLATAFORMA ARDUINO

PLATAFORMA ARDUINO - PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
COMUNICAÇÃO SERIAL
▸ O chip ATMega328 do arduino só tem interface serial, não tem USB
▸ A placa do Arduino possui um outro chip para converter serial para USB
▸ Por isso que o Arduino aparece no PC como uma porta serial virtual
▸ Usamos os mesmo cabo USB para enviar dados do arduino pro PC (e vice versa)
via interface serial

▸ O Arduino possui uma biblioteca que implementa comunicação serial
▸ As principais funções são:
▸ Serial.begin(9600);
▸ Serial.print(“String a ser impressa”);
▸ Serial.print(variável);
▸ Serial.println(“Igual ao Serial.print, mas adiciona os
caracteres de nova linha”);
▸ char c = Serial.read(); // retorna 1 byte

▸ LEDs
▸ TX: dados enviados
▸ RX: dados recebidos

ATIVIDADE PRÁTICA!
▸ Hello Arduino via Serial
▸ Escreva um programa que
envie a seguinte string via
serial, acada 1 egundo: 
 
“Hello Arduino NN!” 
 
sendo NN o numero de
vezes que a string foi
enviada.

ATIVIDADE PRÁTICA!

SENSORES ANALÓGICOS - PRÁTICA I
▸ Ler o valor do resistor variável e enviar via Serial.

EXERCICIO FINAL
▸ Fazer uma escala de LEDs que acendem de acordo com o valor lido do resistor
variável na entrada analógica.

REFERÊNCIAS
▸ Lista de comandos da linguagem 
https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage
▸ Lista de tutoriais 
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage
▸ Tom Igoe - Physical Computing 
http://www.tigoe.net/pcomp/

OBRIGADO!

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