Arduino Uno - Introdução

Arduino é uma plataforma de desenvolvimento eletrônica microcontrolada open-source baseada na premissa de facilidade de uso de hardware e software.

Um microcontrolador pode ser visto como um pequeno computador em um único circuito integrado, contendo além de um microprocessador, memória e periféricos programáveis de entrada e saída. Estes dispositivos são geralmente utilizados na automação e controle de processos, com uma função dedicada, diferentemente dos computadores que podem ser utilizados para diversos fins.

Uma vantagem bastante interessante da plataforma Arduino é a possibilidade de algumas placas serem capazes de empilhar módulos com funções específicas, conhecidos por Shields, que adicionam ao microcontrolador funcionalidades específicas, como por exemplo:

• Drivers para controle de motores;
• Acesso a internet, via rede Ethernet ou wifi;
• Sensoriamento de diversas unidades físicas (temperatura, fluxo, pressão, gases, etc);
• Leitura e escrita de dados em cartão de memória, etc.

Uma característica importante do Arduino é que suas placas possuem um custo relativamente baixo, e diferentemente de outros microcontroladores, sua programação é realizada de forma bem simples, sendo necessário basicamente utilizar um programa em um computador para editar e compilar o programa aplicativo e um cabo USB para transferi-lo para a placa Arduino.

Tipos de placas Arduino e suas características

De uma forma geral, as placas e módulos4 Arduino diferenciam uma das outras de acordo com os seguintes itens:

1. Tipo de processador;
2. Tensão de entrada e de operação;
3. Velocidade da CPU;
4. Quantidade de entradas e saídas analógicas;
5. Quantidade de entradas e saídas digitais;
6. Tamanho da memória EEPROM (Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory);
7. Tamanho da memória SRAM (Static Random AccessMemory);
8. Tamanho da memória Flash;
9. Presença e tipo de porta USB;
10. Presença de UART (Universal Asynchrounous Receiver/Transmiter).

Especificações do Arduino Uno

O Arduino Uno é sem dúvida a placa mais utilizada de toda a família Arduino, e por este motivo, iremos descrevê-la de forma mais específica pois iremos utilizá-la constantemente.

Na Figura abaixo é apresentada uma placa Arduino Uno com a indicação dos seus principais componentes. O cérebro da placa é o microcontrolador ATmega328P.

No lado esquerdo estão os conectores de alimentação por fonte externa (conector tipo jack cc), para alimentar a placa com uma bateria externa e o conector USB para alimentar a placa via conexão com um computador e também realizar a transferência dos programas. Ao energizarmos a placa, seja por fonte externa ou pela USB, o LedOn ficará aceso. Acima do conector USB está o botão de Reset, que leva o microcontrolador ao seu estado inicial ao ser pressionado.

Nos lados direito e superior existem dois conectores ICSP (In-Circuit Serial Programming) que servem para programação do microcontrolador sem usar a conexão USB. Essa funcionalidade não será utilizada aqui já que temos a conexão USB disponível, no entanto, é de grande valia quando temos uma placa dedicada e necessitamos gravar um programa de aplicação no microcontrolador.

Na parte inferior existem duas barras de pinos, sendo a primeira, mais a direita, para conexão de seis entradas analógicas (A0-A5). A segunda barra, mais a esquerda, contém sete pinos cujas funções são as seguintes:

Sem nome: reservado para uso futuro.
IOREF: indica para Shields acoplados a tensão que o Arduino está trabalhando.
Reset: usado para reinicializar o microcontrolador com um pulso lógico alto (+5V), tem a mesma função do botão Reset.
3.3V: tensão de 3,3V.
5V: tensão de 5V.

GND: dois pinos com tensão de referência de 0V.
Vin: tensão em que a placa Arduino é alimentada (via USB ou via conector jack cc).

Na parte superior também estão disponíveis duas barras de pinos, correspondendo aos pinos de E/S digitais (pinos 0-13), cuja funcionalidade é definida via programação. Ligado ao pino de saída 13 há um led (Led 13). O Arduino Uno não tem saídas analógicas, no entanto, os pinos 3, 5, 6, 9, 10 e 11 (indicados comum s) podem emular essa funcionalidade caso sejam configurados como saídas PWM (Pulse Width Modulation). Já os pinos 0 e 1 podem ser utilizados para comunicação serial (Rx e Tx, respectivamente) entre a placa e um computador ou outros dispositivos, sendo o processo de comunicação indicado por meio dos Leds Rx e Tx. Também é disponibilizado mais um pino GND e o pino AREF (Analogue REFerence) que permite-nos alimentar o Arduino com uma tensão de referência a partir de uma fonte de alimentação externa, caso desejarmos medir tensões numa faixa especificada, como por exemplo, 3,3V de pico.

Instrumentos de medição

Para medirmos as grandezas elétricas, fazemos uso de instrumentos de medição, de acordo com a grandeza que desejamos medir. De forma geral, dois instrumentos de medição são geralmente utilizados:

Multímetro: instrumento capaz de medir as grandezas de tensão, corrente, resistência, além de outras funções, como teste de continuidade, ganho de transistores, etc.

Osciloscópio: instrumento que permite visualizar, em tempo real, a forma de onda de um sinal de tensão.

 

Multímetro.

Osciloscópio.

Como visto nas figuras acima, o multímetro apresenta um valor numérico da medida, ou seja, sua amplitude, enquanto o osciloscópio apresenta um gráfico de como a tensão se comporta no tempo.

O multímetro é capaz de medir diversas grandezas elétricas. Assim, de acordo com a grandeza que se deseja medir, este instrumento funciona como os seguintes instrumentos:

• Ohmímetro: mede o valor de uma resistência.
• Voltímetro: mede a amplitude da tensão elétrica.
• Amperímetro: mede a amplitude da corrente elétrica.

Além destas grandezas, é comum nos multímetros ter-se também funcionalidades (depois exploramos mais!!!) como:

• Teste de continuidade: geralmente indicado por meio de um sinal sonoro (beep) quando o circuito esta fechado.
• Teste de diodos: verifica se a junção PN conduz na polarização positiva e bloqueia na polarização negativa.
• Teste de transistores: medição do ganho hFE.
• Medição de temperatura: geralmente realizada com sensor do tipo termopar.

Circuitos Resistivos

Antes de mais nada, o que é um circuito? Podemos dizer que um circuito corresponde a um conjunto de componentes (elétricos ou eletrônicos, no nosso caso) que são interligados para desempenhar uma determinada função.

Para nos familiarizarmos com circuitos, iremos inicialmente trabalhar com circuitos resistivos, isto é, compostos apenas por uma fonte de tensão e resistores.

Os resistores são dispositivos passivos que se opõem a passagem de corrente no circuito, podendo ser basicamente de dois tipos:

• Fixos: apresentam valores de resistência fixa entre seus dois terminais. A codificação dos valores é feita de acordo com um código de cores, como mostrado abaixo.

• Variáveis: constituídos de três terminais, apresentam resistência variável entre o terminal central e os terminais 

Associação de Resistores

Os resistores podem ser associados basicamente de duas maneiras:

• Série: a tensão se divide entre os resistores e a corrente é a mesma.

• Paralelo: a corrente se divide entre os resistores e a tensão é a mesma.

Caso os dois tipos sejam utilizados temos uma associação Mista. 

Montagem

Agora vamos trabalhar!!! Mãos a obra galera!!! 

Separe um punhado de resistores e utilizem o código de cores para descobrir os valores de cada um.

Depois, tente montar o circuito apresentado nas figuras abaixo. Pra facilitar, são apresentados os diagramas esquemáticos e de montagem em protoboard.

OBS: teste as tensões e as correntes em cada resistor e compare com os valores calculados com as fórmulas dadas.

Introdução a Eletricidade

Antes de começarmos a "Brincar de Robótica", vamos ver (ou rever!) alguns conceitos básicos de eletricidade básica.

Conceitos Básicos

Tudo começa no nível atômico! Segundo Thomson e Rutherford, o átomo é constituído de partículas menores, cada uma com uma carga elétrica específica:

• Prótons: positivo (+);
• Elétrons: negativo (-);
• Nêutrons: sem carga (0).

Cada tipo de átomo tem uma quantidade específica destas partículas. Dependendo das características dos átomos, estes podem se agrupar formando moléculas de elementos específicos, e, por sua vez, as moléculas também podem se agrupar formando materiais específicos, que podem ser classificados como:

• Condutores: materiais onde as cargas elétricas se movem com facilidade (metais);
• Isolantes: materiais que não conduzem cargas elétricas (vidro, porcelana, borracha, etc.);
• Semicondutores: materiais que se comportam ora como isolantes, ora como condutores (silício). É por causa deles que vc está lendo esse texto no seu PC, smartphone ou tablet!!!

Grandezas Elétricas

As principais grandezas elétricas são:

• Tensão: é a diferença de potencial elétrico (ddp) entre dois pontos. Unidade: [V] Volt.
• Corrente: é o movimento ordenado de cargas elétricas. Unidade: [A] Ampere.
• Potência: é o trabalho realizado pela corrente elétrica em um determinado intervalo de tempo. Unidade: [W] Watt.
• Resistência: é a capacidade de um corpo qualquer se opor à passagem de corrente elétrica mesmo quando existe uma diferença de potencial aplicada. Unidade: [Ω] Ohm.

Matematicamente, essas grandezas são relacionadas de acordo com o seguinte círculo de equações, baseado nas Leis de Ohm e de Kirchhoff:

Fontes de Alimentação

As fontes de alimentação dos circuitos podem ser de dois tipos:

• Fonte de tensão: fornece uma tensão a uma carga conectada a seus terminais. 
• Fonte de corrente: fornece uma corrente a uma carga conectada a seus terminais.

Além disso as fontes podem ser:

• Constantes: o valor da tensão ou corrente é constante, como por exemplo em pilhas e baterias.
• Alternadas: o valor da tensão ou corrente é variável, isto é, oscila em valores positivos e negativos, como por exemplo, a rede elétrica.

A simbologia para as fontes de tensão e corrente é a seguinte: 

Símbolos de fontes de tensão.

Símbolo de fonte de corrente.

Bom, depois desta breve introdução teórica, no próximo post começaremos a brincadeira, colocando a mão na massa de verdade!!!