Prática 1 – Familiarização com o Laboratório
Esta primeira prática tem como objetivo a familiarização com o ambiente de simulação e os principais elementos do laboratório de eletrônica. O Tinkercad foi escolhido para as práticas no ensino remoto emergencial pois simula vários dos componentes que utilizamos no laboratório, de uma maneira muito semelhante à que é feita presencialmente. Nesta prática, iremos ver o uso do Arduino, do protoboard, e de LEDs. Antes de começar, crie uma conta no Tinkercad e entre na sala de aula virtual, conforme orientações na página de Práticas no Ensino Remoto Emergencial.
Índice:
Primeiros Passos com Arduino
Nesta seção da prática o Arduino será apresentado, junto com os primeiros passos para sua utilização. Serão mostrados alguns exemplos simples de como simular um programa e usar a comunicação serial para monitorar seu funcionamento.
Sobre o Arduino
O Arduino é uma plataforma de hardware e software livre para prototipagem e desenvolvimento de projetos eletrônicos. É desenvolvida em torno de um microcontrolador ATmega328P, um processador programável com interfaces para conectar a dispositivos, sensores e circuitos dos mais diversos tipos. O firmware do microcontrolador é atualizado através da porta USB, que também pode ser usada para alimentar o circuito. O Arduino Uno, modelo utilizado nas práticas, pode ser visto na figura abaixo.
O Arduino é programado na linguagem C++, podendo também ser programado em C ou diretamente em linguagem de máquina. Para maiores informações sobre a linguagem e interface de programação do Arduino, consulte a Documentação de Referência da Linguagem. Existe uma grande bibliografia complementar e literatura disponível na internet sobre o Arduino. Um livro que eu gosto bastante é o Arduino Cookbook, mas para os objetivos desta disciplina basta a funcionalidade mais básica da plataforma. Iremos utilizar o Arduino somente para explorar e aplicar os conceitos estudados na teoria de eletrônica.
Utilizando o Arduino no Tinkercad
Para utilizar o Arduino no Tinkercad, basta incluir o dispositivo “Arduino Uno R3” na montagem. Uma vez feito isso, é possível programá-lo através da aba código, no canto superior direto da página. No Tinkercad, existe a possibilidade de programação utilizando uma liguagem gráfica de blocos, mas não iremos usar essa funcionalidade na disciplina pois não corresponde ao que utilizamos no laboratório nem no ambiente profissional. Por isso, selecione a modalidade “Texto” ao invés de “Blocos” na caixa de seleção abaixo da aba de código. Todos esses elementos são mostrados na figura abaixo.
O programa default do Arduino no Tinkercad é o exemplo Blink, que faz
o LED da placa piscar na frequência de 0,5 Hz.
O programa, reproduzido abaixo, mostra o esqueleto de um programa de Arduino.
O código que estiver no
corpo da função setup será executado uma vez, quando a placa for energizada,
geralmente para configurar a placa e inicializar as variáveis do programa.
Já o código que estiver no corpo da função loop será executado repetidamente
até a placa ser desligada; esse código contém a lógica principal de execução do
programa.
Todo o texto que estiver depois dos caracteres // é um comentário.
void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000); // Wait for 1000 millisecond(s)
digitalWrite(13, LOW);
delay(1000); // Wait for 1000 millisecond(s)
}
No programa acima, a função pinMode serve para configurar o modo de operação
dos pinos do Arduino.
A chamada pinMode(13, OUTPUT) configura o pino 13, que está
conectado internamente ao LED da placa, para que opere no modo de saída digital.
A função digitalWrite, por sua vez, define o nível de tensão da saída como
alto (HIGH, correspondente a 5 V) ou baixo
(LOW, correspondente a 0 V).
Por fim, a função delay pausa a execução do programa por um certo número de
milissegundos. Tudo isso junto faz com que o LED da placa pisque, permanecendo
1 s ligado e em seguida 1 s desligado.
Teste esse programa clicando em “Iniciar simulação” e observe seu funcionamento.
Comunicação serial
A porta USB do Arduino pode ser utilizada também para transferência de dados entre a placa e o computador, além de servir para carregar o programa. Ela está conectada à porta serial do microcontrolador, uma interface básica de comunicação entre dispositivos digitais. Entre outras coisas, a porta serial permite a impressão de texto do programa do Arduino, para monitoração e debug dos programas.
No código fonte, a porta serial é acessada através do objeto Serial, que é
parte da biblioteca padrão do Arduino. O programa abaixo mostra um exemplo
simples de comunicação serial. Antes de utilizar a porta, é necessário chamar
a função Serial.begin para inicializá-la e definir a taxa de transmissão de
dados (baud rate). Essa inicialização geralmente é feita na função setup.
Uma vez inicializada, a função Serial.println pode ser chamada para imprimir
um texto ou variável seguido por uma quebra de linha.
void setup() {
Serial.begin(230400); // Inicializa a porta Serial
Serial.println("Hello World!!!"); // Imprime um texto
}
void loop() {
delay(1000); // Aguarda 1 segundo
Serial.println("Oi de novo."); // Imprime outro texto novamente
}
Copie esse programa para o Tinkercad e inicie a simulação. O resultado pode ser visto no Monitor serial, e consiste em uma mensagem “Hello World!!!” seguida de “Oi de novo.” impresso repetidamente. Um exemplo do resultado da simulação pode ser visto na figura abaixo.
As funções Serial.print e Serial.println também podem ser utilizadas para
imprimir variáveis do programa. Abaixo temos um exemplo que mostra o valor de
uma variável global do tipo int (número inteiro), declarada no
início do programa. Após a função setup inicializar a porta serial, na
função loop o valor da variável é impresso, incrementado, e a execução do
pausada por 250 ms até terminar e ser executada novamente.
Simule esse programa e observe sua saída com o Monitor serial.
int i = 0; // Define uma variável global
void setup() {
Serial.begin(115200); // Inicializa a porta Serial
}
void loop() {
Serial.print("O valor de i = "); // Imprime um texto
Serial.println(i); // Imprime o valor da variável
i = i + 1; // Incrementa a variável
delay(250); // Pausa a execução por 250ms
}
Atividade para entrega
Crie um programa para o Arduino que imprime na porta serial um número de 0 a 5 e depois de 4 a 1 novamente, repetindo as sequências indefinidamente. Coloque no relatório o código fonte do programa e salve no Tinkercad como “Prática 1—Serial”.
Dica: existem duas principais maneiras de se fazer esse programa:
- utilizando dois laços for na função
loop; ou- utilizando uma variável global para definir o valor do incremento do contador, e alterando esse valor ao chegar nos extremos.
Consulte a API do Arduino para maiores informações a respeito da linguagem.
Acionamento de um LED
Nesta parte da prática, será mostrado como fazer uma montagem no protoboard para acionamento de um LED. Em um primeiro momento, o LED será ligado diretamente na fonte e, posteriormente, será acionado programaticamente por uma saída digital do Arduino.
Componentes utilizados
Protoboards, também denominados matrizes de contato, são placas para a construção de protótipos de circuitos eletrônicos. São compostos de uma placa com orifícios sobre faixas de condutores metálicos, como mostrado na figura abaixo. Dessa forma, os terminais sobre a mesma faixa de condutores estão todos conectados eletricamente, sem a necessidade de solda. Além da conexão elétrica, os protoboards também tem a função de fixar mecanicamente os componentes. As trilhas verticais nas bordas da placa, marcadas com linhas contínuas vermelhas e azuis, são geralmente utilizadas para os terminais da fonte de alimentação. Para mais informações e fotos de protoboards por dentro, veja este guia bem explicativo.
No Tinkercad, não é necessário utilizar protoboards para realizar a simulação, mas eu gostaria que eles fossem utilizados para exercitar a montagem como é feita no laboratório. O protoboard aparece como “placa de ensaio” na biblioteca do Tinkercad. Ao se passar o mouse sobre um de seus pinos, os demais pontos da mesma linha ou coluna, conectados internamente, são indicados em verde.
LEDs. Os diodos emissores de luz (light-emitting diode, LED) são dispositivos semicondutores que convertem energia elétrica em energia luminosa com alta eficiência. Por serem diodos, os LEDs possuem polaridade, caso seja conectado ao circuito com seus terminais invertidos ele não acenderá. Os terminais do LED podem ser identificados como mostrado na figura abaixo. O pino do catodo é mais curto e marcado por um chanfro no encapsulamento do componente, que pode ser identificado na vista superior do dispositivo. Os terminais também podem ser identificados com a função de teste de diodo do multímetro.
Fonte: commons.wikimedia.org, imagem liberada em domínio público.
No Tinkercad, o chanfro do LED é desenhado para identificação dos seus terminais. Apesar disso, a maneira mais fácil de identificar os terminais é passando o mouse por cima deles, o que faz com que seu nome seja mostrado. Nesse ponto, vale mencionar que o Tinkercad tem alguns erros de tradução, e o catodo do LED é identificado incorretamente como “catódica”.
Resistores. Para acionar um LED também é essencial o uso de um resistor. No laboratório, é comum os alunos esquecerem do resistor ao ligar o LED, o que faz com que ele emita um brilho muito forte e bonito. Acontece que esse também será também será o último brilho do LED, pois ocorre devido à queima do componente por sobrecorrente.
O valor da resistência de resistores de furo passante é indicado com o código de cores mostrado na figura abaixo, no qual cada cor equivale a um dígito. As duas primeiras faixas indicam os algarismos significativos da resistência, a terceira faixa indica a um multiplicador e a quarta indica a faixa de tolerância do valor. Observe que, ao alterar o valor da resistência no Tinkercad, o código de cores do resistor é atualizado.
Acionamento básico
A primeira montagem de teste do circuito consiste em acionar o LED diretamente na fonte de 5 V do Arduino. O diagrama do circuito e uma possível maneira de montá-lo no protoboard estão representados na figura abaixo. Monte o circuito no Tinkercad, simule, e verifique se o LED acende.
Atividade para entrega
A escolha do resistor utilizado no acionamento do LED é baseda na corrente que se deseja fornecê-lo que, por sua vez, é proporcional à luminosidade emitida por ele. Utilizando o modelo simplificado do LED, apresentado na seção 1.9 do livro do Boylestad e Nashelsky, escolha o valor de resistores para que a corrente do LED seja de 5 mA, 10 mA e 20 mA. Considere a queda de tensão no LED, o parâmetro \(V_K\) do modelo, igual a 2 V. Simule o circuito com esses valores de resistência e meça a corrente através do LED com um multímetro. Mostre no relatório a imagem da montagem do circuito, o valor de resistência escolhido e a corrente medida. Salve a montagem com um dos resistores no Tinkercad como “Prática 1—LED”.
Obs.: o modo de medição de corrente do multímetro do Tinkercad também foi incorretamente traduzido como “Amperagem”. Lembre também que o amperímetro deve ficar em série com o circuito.
Acionamento com uma saída digital
O comportamento dos pinos do Arduino pode ser definido e controlado por software. Quando um pino é configurado como saída digital, ele se torna uma fonte de tensão que pode assumir dois valores: nívelo lógico baixo (0 V) ou alto (5 V). Neste procedimento, vamos utilizar uma saída digital do Arduino para acionar o LED. Esse exemplo é basicamente o pisca pisca do exemplo Blink com um LED externo à placa.
Funções para uso das saídas digitais.
Para configurar o pino como saída, a função pinMode deve ser utilizada.
Geralmente essa configuração é feita na função setup, que é executada
toda vez que o dispositivo é ligado.
O nível de tensão do pino é então definido com a função digitalWrite.
Abaixo temos um código que exemplifica o uso das saídas digitais.
Montagem. Para testar esse código, monte o circuito representado na figura abaixo, que é acionado pela saída digital do Arduino. Quando a saída estiver em nível lógico alto, o LED irá acender. Quando estiver em nível lógico baixo, o LED irá apagar.
Para comandar o Arduino, utilize o código abaixo. Ele faz o LED piscar ao ligar e desligar a saída digital de número 10. Simule o circuito e veja seu funcionamento.
void setup() {
pinMode(10, OUTPUT); // Define o pino digital 10 como saída
}
void loop() {
digitalWrite(10, HIGH); // Define a tensão do pino 10 em 5V
delay(1000); // Aguarda 1s
digitalWrite(10, LOW); // Define a tensão do pino 10 em 0V
delay(1000); // Aguarda 1s
}
Atividade para entrega
Inclua no relatório a imagem da montagem do circuito de acionamento com a saída digital, mostrado na Figura 8.