Curso de Arduino-Modulo 1

Arduino – Módulo 1 COORDENADOR: Prof. Carlos Renato Borges dos Santos

Versão 3.0

ETAPAS DO CURSO COMPLETO  Módulo 1 – Programando o Arduino  16 horas

 Módulo 2 – Sistemas de Interface  Mais de 20 horas

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Contatos

[email protected]

[email protected] www.santoscrb.com

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Arduino – Módulo 1

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Conteúdo programático Módulo 1 – Programando o Arduino

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Ao final do curso, será capaz de:  Desenvolver aplicações básicas com o Arduino e pequenos  

 

  5

acionamentos; Ler sinais de sensores que funcionam entre 0 e 5 V; Gravar dados na memória não-volátil; Desenvolver protocolos de comunicação sem verificações complexas dos dados; Controlar servomotores, motores de passo e motores de corrente contínua (apenas o controle, a parte de potência será ministrada no módulo 2); Entender o processo de interrupções; Conhecer alguns componentes eletrônicos.

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Conteúdo programático  Aula 1      

O que é Arduino Tipos de Arduino A placa eletrônica Vantagens do Arduino Apresentação do programa Notas:  Avaliação: 40% da nota  Projetos: 60% da nota

 Aula 2  Conceitos de bit, Byte, Word.  Tipos de variáveis do Arduino.  Manipulação de dados de diversos tipos em C

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Conteúdo programático  Aula 3  Revisão sobre programação em C.  Declaração de variáveis e ponteiros  Condicionais:  If  While  For  Do ...While  Switch  Struct  Union

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Conteúdo programático  Aula 4  O IDE do Arduino.  Verificação  Compilação  Pinos de IO  Exemplo Pisca-Pisca  Exemplo push button  Alimentação do Arduino  Cálculo de potência dos dispositivos  Dimensionamento de corrente de LEDs  Princípio de funcionamento de um motor de passo  PROJETO 1 – ACIONAMENTO DE LEDS ATRAVÉS DE PUSH-BUTTONS  PROJETO 2 – CONTROLE DE UM MOTOR DE PASSO EM 2 SENTIDOS 8

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Conteúdo programático  Aula 5  VERIFICAÇÃO DOS PROJETOS 1 E 2  Apresentação de vídeos e links interessantes

 Aula 6  Conversão Analógico digital  Exercícios

 Aula 7  PWM

 Aula 8  PROJETO 3 – CONTROLE DE VELOCIDADE DE UM MOTOR

CC ATRAVÉS DE UM POTENCIÔMETRO  PROJETO 4 – SEGUIDOR SOLAR 9

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Conteúdo programático  Aula 9  Comunicação serial

 Aula 10  Desenvolvimento de protocolos de comunicação serial

 Aula 11  PROJETO 5 – CONTROLE DE UM MOTOR DE CC E DE

MOTOR DE PASSO POR MEIO DA SERIAL  Aula 12  PROJETO 6 – ESTAÇÃO DE MEDIÇÃO COM ENVIO DE

DADOS PELA SERIAL 10

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Conteúdo programático  Aula 13  Memórias  SRAM  FLASH  EEPROM

 Aula 14  Gravando e recuperando dados na EEPROM

 Aula 15  Servomotor  PROJETO 7 – SEGUIDOR SOLAR COM ARMAZENAMENTO E

ENVIO DE DADOS DE POSIÇÃO PELA PORTA SERIAL

 Aula 16  Avaliação do curso e avaliação teórica

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Livros sobre Arduino

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Bibliografia  1- Site www.arduino.cc

 2- McRoberts, Michael. Arduino básico. Editora NovaTec.  3- Ronald J. Tocci e Neal S. Widmer. Sistemas Digitais:

  

 

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Princípios e Aplicações. 4- Banz, Massimo. Primeiros passos com o Arduino. 5- 30 Arduino Projects for the evil genius 6- Arduino CookBook, 2nd edition 7-http://renatoaloi.blogspot.com 8- Fábio Pereira. Microcontroladores PIC Programação em C. Editora Érica.

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Motivações  http://globotv.globo.com/rede-globo/jornal-



  

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nacional/v/alunos-do-engenharia-do-rio-vencem-maiorcampeonato-de-robotica-do-mundo/2547531/ http://www.youtube.com/watch?v=UUbdSjEvsdw http://www.youtube.com/watch?v=fvsTzFnfgiI http://www.youtube.com/watch?v=5XDXyJTNFu4 http://www.youtube.com/watch?v=JWqFH0roIUI


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1-Apresentação Módulo 1 – Programando no Arduino

O que é Arduino

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O que é Arduino  É uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware

livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão, na qual é essencialmente C/C++.  O projeto iniciou-se na Itália, em 2005, com o intuito de interagir em projetos escolares.

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O que é Arduino

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O que é Arduino  O Arduino IDE é uma aplicação multiplataforma

escrita em Java. Inclui um editor de código, compilador e carrega programas para a placa com um único clique.  Com isso não há a necessidade de editar Makefiles ou rodar programas em ambientes de linha de comando.

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O que é Arduino Linguagem do Arduino  void setup() {  //Comandos de //inicialização }  void loop() {  //Instruções repetidas //infinitamente } 20


Linguagem C  void main()  {  //void setup  while(1) {  //void loop

}

 } 26/08/2013

Tipos de Arduino

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Tipos de Arduino

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Tipos de Arduino

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Tipos de Arduino

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A placa eletrônica

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A placa eletrônica

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A placa eletrônica

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Vantagens do Arduino

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Vantagens do Arduino Vantagens  Alimentação: Pode ser alimentado pela USB  Total compatibilidade entre o IDE e a placa, não sendo necessárias configurações complexas  Não precisa de alimentação externa  Preço, se comparado a um kit com microcontrolador PIC, 8051 ou outro 29

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Desvantagens  Não simula em

computador (ainda não encontrei)  Nem todas as portas possuem um LED integrado à plataforma.  Ao sair do estado de protótipo deve-se fazer adequações 26/08/2013

Kit PIC Kit PIC  Alimentação externa

    30

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(127/220V) Não inclui compilador (MikroC, CCS) Não inclui simulador (Proteus) Utiliza MPLAB Preço: R$ 600,00 26/08/2013

Comparação Arduino

PIC / 8051

 Abrir software Arduino



 Selecionar o Arduino



 Abrir arquivo  Cabo USB  Plugar o Arduino  Compilar



       

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Abrir software de edição em C Criar uma pasta e nomear o projeto Configurar fusíveis Abrir biblioteca de exemplos, copiar exemplo Configurar registradores dos periféricos Certificar se é o PIC, ex: 18F4550 Kit + Fonte de alimentação + cabo USB + gravador + cabo RJ Compilar Abrir o MPLAB para gravação Encontrar o arquivo .HEX Clicar em Play

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Apresentação do programa  Notas:  50% - avaliação escrita  50% - projetos

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2-Conceitos básicas Módulo 1 – Programando no Arduino

PARTE 1 – Noções de software  Conceitos de bit, Byte, Word.

 Códigos ASCII, Binário, BCD, Hexadecimal.  Revisão sobre programação em C.  Tipos de variáveis.  O IDE do Arduino.

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Conceitos de bit, Byte e Word

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Conceitos de bit, byte e word  Bit – É um registrador ou variável que armazena o valor 0 ou

1. Uma variável do tipo bit é usada para testes lógicos dos tipos: verdadeiro ou falso.  Byte – É um conjunto de 8 bits. Usado para armazenar valores de 0 a 255 (sem sinal) ou de -128 a +127 (com sinal)  Word – É um conjunto de 16 bits. Armazena valores de 0 a 65535 ou -32768 a 32767

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Sistemas de codificação

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ASCII – 0 a 127

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ASCII – 128 a 255

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Hexadecimal – binário - decimal

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Codificação BCD

RTC DS1307 Usa codificação BCD

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Sistemas de codificação Exercício 1  Represente os valores a seguir em registradores de 8

bits:  A) 20 (decimal) ->  B) 0 (ASCII) ->  C) 45 (hexadecimal) ->

 D) 10110 (binário) ->  E) 7E (hexadecimal) ->  F) 64 (bcd) -> 42

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Sistemas de codificação Exercício 2  Dados os bits, o que eles representariam se estivessem

em: ASCII, hexadecimal, BCD e decimal: (  A) 10010100 ->  B) 01010101 ->  C) 11110000 ->

 D) 10110111 ->  E) 00111010 ->  F) 1101010110101001 -> 43

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Sistemas de codificação Exercício 3  O RTC 1307 armazena a seguinte data: 26/12/13. Como serão preenchidos os seguintes registradores: dia, mês, ano?

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Tipos de variáveis do Arduino

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Tipos de variáveis do Arduino boolean char (-128 a 127) unsigned char (0 a 255) byte (0 a 255) int (-32.768 a 32.767) unsigned int (0 a 65535) word (0 a 65535) long [32 bits (4 bytes), de 2.147.483.648 a 2.147.483.647]  unsigned long (0 a 4.294.967.295)        

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 Float (-3.4028235E+38 a 

  

3.4028235E+38 stored as 32 bits) Double (On the Arduino Due, doubles have 8-byte (64 bit) precision) string - char array string - object array

 http://arduino.cc/en/Refer

ence/HomePage

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Manipulação de dados de diversos tipos em C

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Manipulação de dados de diversos tipos em C Dicas sobre o uso de variáveis  Como o processador é de 8 bits, evite usar variáveis longas,

isso poupará memória e aumentará a velocidade de cálculo.  Prefira usar variáveis inteiras de 8 e 16 bits, evitando variáveis com ponto flutuante.

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Manipulação de dados de diversos tipos em C char Sinal (+) 0 (-) 1

unsigned char

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Manipulação de dados de diversos tipos em C

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Manipulação de dados de diversos tipos em C Registrador A (8 bits)

98 + 78 ----

Carry (operação anterior)

Carry (1 bit)

ULA

Resultado (8 bits)

Registrador B ( 8 bits) 51

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Manipulação de dados de diversos tipos em C  O que acontece com os valores armazenados

quando:  Bit = byte ......Arduino?  Bit = word ......Arduino?  Byte = bit ......Arduino: recebe 0 ou 1  Byte = word ......Arduino: recebe-se o byte menos significativo  word = bit ...... Arduino: recebe 0 ou 1  word = byte ....... Arduino: recebe o valor

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Valores em decimal, hexa e binário  X = 0x10; // x recebe o valor 10h (16 decimal)

 Y = 10; // y recebe 10 decimal  Z = 0b10; // z recebe 10b (2 decimal)

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Operações com variáveis  Calcule o resultado das variáveis após as seguintes

operações:

 unsigned int calc = 2000;

 unsigned char x, y, z;  x = calc; //x=208  y = 400; //y=144  z = x + y; //z = 96  Ver Exemplo1 54


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Ponteiros  unsigned int x[5];

 unsigned int *ponteiro;  for(char i = 0;i<5;i++)  {  x[i] = 2*i+1;

 }  ponteiro = &x[0];

 ponteiro ++;  (*ponteiro)++;  Ver Exemplo2 55


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3-Programação em C Módulo 1 – Programando no Arduino

Revisão sobre programação em C

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Revisão sobre programação em C  if( teste_condicional )

 {  //Caso passe no teste_condicional

 }  else  {  //Caso não passe no teste_condicional

 }

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Revisão sobre programação em C  while( teste_condicional )

 {  //expressão

 }

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Revisão sobre programação em C  for( inicialização ; teste_condicional ; incremento )


 }

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Revisão sobre programação em C  do


 } while ( teste_condicional )

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Revisão sobre programação em C  switch(variavel)

 {  case valor1:  break;

 case valor2:  break;  case valor3:  break;  default:  //Caso não tenha encontrado um case

 } 62

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Revisão sobre programação em C  typedef struct  {

 Typedef struct  {

 //Declaração de variáveis  //var1;  //Var2;

     

} Tipo; ... Tipo variavel; ... variavel.var1 = valor1; Variavel.var2 = valor2;

   

   

int chave; char matricula[6]; char nome[16]; char senha[4];

}Taluno; ... Taluno turma1[40]; For(char i=0;i<40;i++){  Turma1[i].matricula[0] = ‘1’;  ...

 } 63

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Revisão sobre programação em C  typedef union

 typedef union

 {

 {

 //Declara_variável_maior

 int x;

;  //Declara_variáveis_meno res;

 char y[2];

 } Tipo;

 }Tint16;  ...  Tint16 valor;  valor.x = 0xABCD;  valor.y[0] = ?

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4-O Arduino Módulo 1 – Programando no Arduino

O IDE do Arduino

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O IDE do Arduino

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O IDE do Arduino

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O IDE do Arduino  Última versão: 1.0.5 (até o início do curso)  Escolher o Arduino  Exemplos de programas  Conexão automática  Verificação de sintaxe  Compilação  Gravação 69

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O IDE do Arduino

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Pinos de IO Arduino UNO

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Pinos de IO  Arduino UNO

 6 Portas de entradas

analógicas (Conversor AD de 10 bits cada)  14 portas de IO, sendo 6 com saídas PWM  1 saída de alimentação 5 V  1 saída de alimentação de 3,3 V

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Arduino UNO

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Arduino UNO

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Arduino UNO

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Pinos de IO Arduino Mega 2560

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Pinos de IO  Arduino MEGA 2560

 54 pinos de IO digitais  14 saídas PWM que podem

ser configuradas como entradas digitais  4 terminais de comunicação serial USART + 1 I2C  Pinos 22 a 53 de IO digital  16 entradas analógicas

(Conversor AD de 10 bits) 77

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Arduino Mega 2560

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Arduino Mega 2560

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Arduino Mega 2560

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Exemplos de programação

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Exemplos de programação: Pisca-pisca

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Exemplos  Pasta Laboratorios  Exemplo 1 – operações entre diversos tipos  Exemplo 2 – Ponteiros  Exemplo 3 – Variáveis char, int e float

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Pinos de I/O  Entrada de dados  Definir como entrada  pinMode(pino,INPUT);  Leitura  boolean x;  x = digitalRead(pino);

 Saída de dados  Definir como saída  pinMode(pino,OUTPUT);  Escrever o dado  digitalWrite(pino,HIGH);  digitalWrite(pino,LOW); 84


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Exemplo de leitura/escrita

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Push-Button: Normalmente: 1 Apertando: 0

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Normalmente: 0 Apertando: 1

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Push-Button Saída Normalmente 1 Apertando: 0

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Saída Normalemente 0 Apertando: 1

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Latch

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Exemplos de programação: push button  Cada pino deverá ser configurado como entrada;  Para ler o sinal do pino, deverá ser através de um

comando;  Veja exemplo a seguir.

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Exemplo de leitura digital

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Alimentação do Arduino

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Alimentação do Arduino  Pode-se alimentá-lo através da porta USB

 Possui alimentação externa.

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Alimentação do Arduino Cálculo de Potência  P=UxI  Tensão de alimentação do Arduino (USB) = 5V  Corrente máxima da USB (até 500mA por porta)

 Um simples resistor de 1k: I = 5/1000 = 5 mA  Um simples resistor de 100R: I = 5/100 = 50 mA

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Código de cores de resistores

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LED

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Alimentação de um LED

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Alimentação de um LED  Dimensionamento de LEDs

 Um LED consome cerca de 5 a 30 mA, dependendo do

tamanho e tipo de LED. Quando ligado, sua tensão é da ordem de 1,2V. Logo, o resistor que deve ser ligado em série:

 Caso de alimentação USB: R = (5 – 1,2)/5m = 760 Ohms  No caso, é mais prudente arredondar a resistência para cima,

logo usa-se 1kohm  Tente agora para ligar um LED em 12V 97

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USB conector tipo B

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Alimentação Externa

(-)

(+) Ideal: 7 a 12V 99


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PROJETO 1

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ACIONAMENTO DE LEDS ATRAVÉS DE PUSH-BUTTONS  DESCRIÇÃO: O projeto deverá acionar um LED que represente

um motor de CC. O acionamento se dará por push-button. Ao acionar a chave, o programa deverá verificar o estado do LED e mudá-lo. Não se esqueça de inserir um delay após ler o estado do push-button.  Outros dois botões poderão ser usados para regular o tempo de acionamento do LED.  Aproveite os outros pinos de I/O e use a criatividade para acionar mais de um LED. 101

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PROJETO 2

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CONTROLE DE UM MOTOR DE PASSO EM 2 SENTIDOS  DESCRIÇÃO: Elaborar subrotinas que leiam 2 push-buttons,

um que ao ser acionado chame uma subrotina que gire LEDs à direita e outro que ao ser acionado chame uma subrotina que gire LEDs à esquerda.  Tente usar void, funções, variáveis, struct para deixar o código mais elegante e organizado  Insira comentários sempre que possível para explicar as etapas do código.

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Aplicação: Motor de passo  Princípio de

funcionamento;  Lógica de programação;

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5-Consulta sobre os projetos Módulo 1 – Programando no Arduino

Verificação dos projetos 1 e 2

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Vídeos e links interessantes  Vídeo 1

 Vídeo 2  Vídeo 3  Vídeo 4

 Vídeo 5  Vídeo 6  Vídeo 7

 http://uriedubot.wordpress.com/author/uriedubot/  www.arduino.cc  http://renatoaloi.blogspot.com 107

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6-Hardware interno [1] Módulo 1 – Programando no Arduino

Conversão analógico-digital (ADC)

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Conversor AD 1 bit

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Conversor AD 2 bits

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Conversor AD 3 bits

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Aliasing

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Conversor DA

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Conversão analógico-digital (ADC)  É uma função que retorna um valor de 10 bits.

 Precisa de um comando específico.  Lembre-se que a execução desse comando necessita de um

pequeno intervalo de tempo (de micro a milissegundos).  Os valores lidos pelo ADC podem variar de 0 a 1023.

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Conversão analógico-digital (ADC)  Sensor de precisão:  Variavel (16 bits) = analogRead(Canal)

 Sensor de baixa precisão ou de sinal ruidoso:  Variavel (8 bits) = analogRead(Canal)>>2

 Canal:       118

A0 A1 A2 A3 A4 A5

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Exemplo de leitura AD

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Exemplo: seguidor de linha

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Links interessantes  http://www.sucatapontotec.netai.net/projeto-003-robo-

arduino-seguidor-de-linha/  http://www.pessoal.utfpr.edu.br/msergio/Monog-09-2Seguidor-de-linha.pdf  http://www.tur.eletrica.ufu.br/doc/regulamentoIITUR.pd f

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Cuidado!  Nunca ligue diretamente algum dispositivo no canal AD que

tenha alguma possibilidade de atingir valores acima de 5V

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PWM (conversão digital-analógico)

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PWM  Usado para controle de tensão por chaveamento em alta

frequência.  Dentre sua utilização, encontram-se:  Controle de velocidade de motor DC;

 Servomotores;  Controle de iluminação.

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PWM

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PWM  analogWrite(Porta, variável);  Porta: configurada como saída.  Variável: Valor 8 bits sem sinal (0 a 255).

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PWM

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Serial – Parte 1  Comandos básicos:  Void setup()  Serial.begin(9600);  Void loop()  Serial.print(“Texto”);  Serial.print(x);  Serial.println(x);  Serial.write(‘a’);  Serial.write(x);//x tipo char

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8-Projetos Módulo 1 – Programando no Arduino

PROJETO 3

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Potenciômetro

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CONTROLE DE UM MOTOR CC ATRAVÉS DE UM POTENCIÔMETRO  A) DESCRIÇÃO: Elaborar um algoritmo que leia um canal

AD e envie o sinal lido para o PWM.  B) DESCRIÇÃO: Elaborar um algoritmo que leia um canal AD e varie lentamente o sinal PWM até atingir o valor configurado. Para isso, é necessário comparar o sinal lido no AD com o sinal do PWM.

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PROJETO 4

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LDR

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PROJETO DE UM SEGUIDOR SOLAR  Construir um seguidor solar guiado por motor de passo e

LDR.  O circuito deverá “varrer” um raio de 180 graus, armazenar o ângulo de maior intensidade luminosa e, quando terminar, ir em direção ao ponto de maior intensidade.

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9-Noções sobre a Serial Módulo 1 – Programando no Arduino

Comunicação serial

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Comunicação serial  O envio de dados

 Taxas de transmissão  Padrão TTL e RS-232  Enviando dados  Recebendo dados  Criando um protocolo de transmissão (byte a byte)

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Padrão TTL  1 – – – – – – ( 5V )

 0 – – – – – – ( 0V )

 A IDE do Arduino cria uma COM virtual a partir de uma

porta USB. 155


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Padrão TTL

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RS 232  1 – – – – – – ( -15V )

 0 – – – – – – ( +15V )

 Nunca ligue um microcontrolador ou Arduino diretamente à

porta serial! É preciso um conversor MAX 232 157

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RS 232

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RS 232 RS 232 - RS 232

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Conversor TTL - RS 232

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Interface serial RS232

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baud rate

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Comunicação serial Comandos básicos:  Serial.begin(taxa_de_transimissao);

 Serial.available();

 Serial.read();  Serial.write(byte);

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Ver exemplo 6

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10-Protocolos de comunicação Módulo 1 – Programando no Arduino

Desenvolvimento de protocolos de comunicação

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 Ver exemplo 7

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11-Projeto Módulo 1 – Programando no Arduino

PROJETO 4

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CONTROLE DE UM MOTOR DE CC E DE MOTOR DE PASSO POR MEIO DA SERIAL

 DESCRIÇÃO: Desenvolver um algoritmo que receba um

comando que controle a velocidade de um motor de CC e comande também um motor de passo.

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12-Projeto Módulo 1 – Programando no Arduino

PROJETO 4

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Memórias

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Memórias  O arduino UNO:  SRAM: 2kB  EEPROM: 1 kB  FLASH: 32 kB SRAM

 Mega2560  SRAM: 8kB  EEPROM: 4kB

FLASH

Processador

 FLASH: 256 kB EEPROM

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Memórias  Fazer um algoritmo que grave um vetor de dados de

quantidade indeterminada (algo está sendo lido)

175

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14-Mais sobre EEPROM Módulo 1 – Programando no Arduino

Gravando e recuperando dados na EEPROM

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Gravando e recuperando dados de 8 e de 16 bits na EEPROM  DESCRIÇÃO: Fazer um algoritmo que grave dados de 8 e de

16 bits na EEPROM.  Ver exemplo 9

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15-Servomotor Módulo 1 – Programando no Arduino

Servomotor

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Servomotor Alimentação: de 4,5 a 6V Comando: #include Servo servo1; // Cria um objeto servo void setup() { servo1.attach(5); // Anexa o servo (físico), no pino 5, ao objeto servo (lógico)  }      

    

void loop() { int angle = analogRead(0); // Lê o valor do potenciômetro angle=map(angle, 0, 1023, 0, 180); // Mapeia os valores de 0 a 180 graus servo1.write(angle); // Escreve o ângulo para o servo delay(15); // Espera de 15ms, para permitir que o servo atinja a posição

 } 181


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 Ver exemplo 10

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PROJETO 7 SEGUIDOR SOLAR COM ENVIO DE DADOS DE POSIÇÃO PELA PORTA SERIAL

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16-LCD

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Liquid Crystal Display

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Pinos do LCD

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Conectando ao Arduino

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 Ver exemplo 11

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17-Interrupções

189

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Interrupções

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Interrupção  Usada quando necessita monitorar constantemente eventos

de curta duração  A interrupção tem prioridade na execução do programa principal, parando-o para atender à interrupção  Após a execução da interrupção, retoma-se o programa

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Pinos de interrupção

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Esquema da Interrupção Evento externo

loop()

Interrupção

Programa principal

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Ligação no Arduino

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Comando e parâmetros

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Linha de tempo da interrupção

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Modos de operação

197


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Exemplo  Ver Exemplo 12

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Nota:

199


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PROJETO 8 VERIFICAÇÃO DE NÍVEL DE TENSÃO DA BATERIA COM ENVIO DE DADOS PELA SERIAL

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Projeto 8  100% - 12,72V

 90% - 12,48V  80% 12,42V  70% - 12,30V

 60% - 12,18V  50% - 12,06V  40% - 11,88V

 30% - 11,76V  20% - 11,58V  10% - 11,34V  0% - 10,50V 201

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17-Avaliação Módulo 1 – Programando no Arduino

AVALIAÇÃO

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Fim do curso – Módulo 1 Coordenador: Carlos Renato Borges dos Santos Voluntário: Silas Martins Sousa

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Curso de Arduino-Modulo 1

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