Arduino Hack Day por Vinicius Senger

Arduino Hack Day
Evento promovido por entusiastas, universidades e empresas
Colaborativo e participativo
Informações técnicas e troca de experiências
Elétron Livre apoia a iniciativa emprestando materiais, cedendo direito de uso de slides e ajudando na preparação geral do evento
PROMOVA VOCÊ TAMBÉM UM ARDUINO HACK DAY!

Sobre este Arduino Hack Day…

Agenda Padrão
Introdução a Arduino
Controlando tomadas pela Internet
Controle de motores com Arduino
Introdução a robótica
Criação de placas e shields

Introdução ao Arduino
Plataforma baseada em Atmel da AVR (ATMega168);
Oferece um IDE e bibliotecas de programação de alto nível;
Open-source hardware e software
Ampla comunidade
Programado em C/C++
Transferência de firmware
via USB
MCU com bootloader

Histórico do Arduino
Projeto criado na Itália pelo Mássimo Banzi no Interaction Design Institute Ivrea;
Nasceu para complementar o aprendizado de programação, computação física e gráfica;
Nasceu do Processing e Wiring;
Processing é um ambiente e linguagem de programação para criar imagens, animação e interação;

Simplicidade no circuito:

Muitas aplicações práticas
Robôs
Roupas eletrônicas
Máquinas de corte e modelagem 3D de baixo custo;
Segway open-source
Desenvolvimento de celulares customizados
Instrumentos musicais
Paredes interativas
Instrumentação humana
Circuit bending

Vários tipos, vários fabricantes...
Mega
Lilypad
Nano
Uno
Pro
Arduino BT
Freeduino
Severino
Program-ME

Atmega168 / Atmega328: coração
Características do ATmega 168:
RISC
20 MIPS (20 Milhões de instruções por segundo)
16Kb Flash / 512 b EEPROM / 1Kb RAM Estática
10.000 ciclos na Flash e 100.000 na EEPROM
2 contadores / temporizadores de 8bits
1 contador / temporizador de 16bits
1 temporizador de tempo real com clock a parte
14 portas digitais
6 portas analógicas

Características técnicas
6 canais PWM
6 conversores analógico/digital de 10 bits
1 serial programável (USART)
1 interface SPI (Serial Peripheral Interface)
1 interface serial a 2 fios (I2C)
1 watch dog timer programável
1 comparador analógico no chip
Interrupção ou wake-up na alteração de estado dos pinos

Resumo das conexões da placa

Conector USB Alimentação externa: Até 12 volts Regular 7085: Recebe até 12 volts e regula para 5 volts FT232RL Conversor USB-Serial

ICSP Para gravar bootloader ou programas/firmware AtMega328 /168/8 Botão de reset

Portas digitais 0 a 13 0 RX 1 TX = usada durante transferência de sketch e comunicação serial com placa 2,4,7,8,12,13 = portas digitais convêncionais 3,5,6,9,10,11 = portas PWM 2, 3 = portas que pode ter interrupções programadas GND AREF Referência analógica Padrão 5 volts

Portas analógicas de 0 a 5 Podem funcionar como digitais de 14 a 19 VIN Alimentação de entrada sem regulagem GND 5 volts 3.3 volts Reset Portas analógicas 4 e 5 São as portas utilizadas para conexões via I2C / TWI.

Shields: arquitetura modular inteligente
Arduino estabeleceu um padrão de pinagem que é respeitado por diversas placas shield:

Por dentro do MCU

Programando para Arduino
IDE pode ser baixada de www.arduino.cc
A IDE foi desenvolvida com Java, portanto precisaremos de um máquina virtual 1.5 ou 1.6 instalada
Funciona em Windows. Mac OS X e Linux (em alguns windows e mac pode ser necessário colocar driver)
Utiliza GCC + GCC Avr para compilação
(você pode também programar diretamente com GCC!)
A transferência para a placa é feita via USB pelo IDE;
(mas também pode ser feita com gravadores ICSP!)

Partes básicas do programa Arduino
Temos que obrigatoriamente programar dois métodos:
void setup() {
}
void loop() {
}
O setup é executado úma só vez assim que a placa for ligada e o loop terá o código de execução infinita

Portas digitais e analógicas
Na prática ligamos componentes em portas digitais e analógicas e através do código Arduino, manipulamos as portas:
pinMode (<porta>, <modo>): configura uma porta digital para ser lida ou para enviarmos dados;
digitalWrite (<porta>, 0 ou 1): envia 0 ou 1 para porta digital
digitalRead (<porta>): retorna um 0 ou 1 lido da porta
analogRead (<porta>): retorna de 0 a 1023 com o valor da porta analógica
analogWrite (<porta>, <valor>): escreve em uma porta PWM um valor de 0 a 255

Exemplo “pisca led”
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE
delay(500);
digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE
delay(500);
}

Exemplo “pisca led” com Arduino Esta conexão é bem simples somente para efeito de teste para piscar o led. O correto é ligar um resistor usando uma protoboard.

Exemplo “luz ambiente”
void setup() {
//Inicializando conexão com PC via FT232 - cabo
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int luz = analogRead(5); //LDR ligado na 5
//envia informações para o PC
Serial.println(luz);
delay(500);
}

LDR no Arduino sem protoboard

DEMO
Apresentação básica do Arduino IDE:
Compilação;
Samples;
Upload;
Dicas
Demonstração do código com Arduino convencional
Demonstração do código com Program-ME

Program-ME: Arduino turbinado nacional

Ligando componentes Jumpers são utilizados para ligar ou desligar os componentes on-board Se todos os jumpers forem retirados, todas as portas são liberadas deixando o Program-ME funcionando como um Arduino. Você pode escolher o que ligar!
Com o mapa de portas documentado a seguir, conseguimos saber qual jumper habilita qual componente e em qual porta

Mapa de portas Vs. componentes Código Porta Componente L1 14 (igual analógica 0) Led L2 1 Led L3 2 Led L4 3 Led L5 4 Led L6 5 Led L7 8 Led L8 6 Led L9 13 Led C1 Analógica 5 LDR

Mapa de portas Vs. componentes Código Porta Componente Q2 Digital 6 Led Q3 Digital 9 Led Q4 Digital 18 Led Q5 Digital 17 Led Chv1 Digital 0 Chave microswitch / botão Spk Digital 12 Speaker Servo-1 Digital 10 Entrada servo-1 Servo-2 Digital 11 Entrada servo-2 JP7 Analógica 1 Entrada analógica / potenciômetro JP6 Analógica 2 Entrada analógica / potenciômetro

Selecionando alimentação
O Program-ME possui um jumper para seleção de alimentação USB ou fonte externa
Toda vez que ligar componentes que possam consumir mais que 500ma, devemos alimentar com fonte externa!
Durante os laboratórios de motores e relés lembre-se de mudar este jumper e alimentar com fonte externa

Selecionando alimentação Jumper Seleção Externo ou USB

Lab 1: primeiro contato com Program-ME / Arduino
Ligar sua placa no cabo USB e no PC
Verificar o jumper de alimentação configurando para USB se necessário
Digitar o código a seguir no Arduino IDE
Clicar no botão de transferência de sketch

Lab 1:Exemplo “pisca led”
void setup() {
pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output
}
void loop() {
digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE
delay(500);
digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE
delay(500);
}

O que precisamos para controlar uma tomada via Web
Microcontrolador
Relê, transistor, diodo e resistor
PC ou um shield Ethernet ou wifi para seu microcontrolador
Aqui vamos usar...
Arduino
Placa Tomad@
PC e shield wifi para Arduino

Porque é necessário utilizar relés ?
As portas de saída do microcontrolador (ATmega), utilizado nas placas Arduino, tem uma capacidade máxima de corrente de 40mA por porta. Essa corrente é suficiente apenas para alimentar uns 4 Leds comuns, portanto para acionar dispositivos que consomem correntes acima de 40mA em 5Volts, dispositivos de voltagens maiores e dispositivos alimentados com tensão AC, é necessário colocar um transistor e um relé entre o micro-controlador e a carga .

O que é um relé ?
Os relés são basicamente interruptores acionados elétricamente.
Os relés podem possuir um ou mais contatos (“interruptores”) sendo que esses contatos podem ser:
NA (normalmente aberto) / NO (normal open)
ou
NF (normalmente fechados) / NC (normal closed) .

Como funciona um Relé
O acionamento dos contatos de um relé ocorre quando a sua bobina é energizada. Nesse momento é criado um campo magnético que atrai uma alavanca responsável pelo acionamento dos contatos
Para acionar um relé precisamos de transistor e diodo de proteção
relé simples relé duplo

Porque é necessário utilizar o transistor ?
Existem relés bem pequenos que poderiam ser acionados diretamente por um microcontrolador, porém na maioria dos casos utilizamos um transistor entre a porta do micro-controlador e o relé devido a corrente necessária para ativar a bobina do relé ser maior que 40mA.

Tensão reversa nos relés
Ao desenergizar a bobina de um relé, ocorre um fenômeno que faz com que seja gerada uma tensão reversa pela bobina. Devemos proteger o circuito responsável pelo acionamento, instalando um diodo em paralelo com a bobina.

Placa Tomad@

Hacking Class Componentes da placa
R1 e R2 = resistor 1k – para os transistores
R3 e R4 = resistor 330R – para os leds
D1 e D2 = diodo IN4007
Led1 e Led2 = led on / off
Fusível 1 e Fusível 2 = proteção
T1 e T2 = transistor para acionar bobina do relê
Relê 1 e Relê 2
Bornes para encaixe dos fios de acionamento da saída do contato do relê

Conectando seu Program-Me na placa Tomad@

Hacking Class Ligando a placa no Arduino

Hacking Class Ligando a placa na tomada
Devemos romper o fio de uma das fases;
Cortamos o fio e vamos ligar cada uma das pontas em um dos bornes da placa

void setup() { pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(3, LOW); digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); digitalWrite(3, HIGH); delay(1000); }

1. Computador conectado na Web com servidor Java recebe request HTTP com solicita ção para acionar a tomada 2. Este servidor web terá uma placa Arduino ligada permanentemente. O servlet (ou equiv) vai acionar a placa via comunicação serial RS-232. 3. Para controlar as tomadas, vamos ligar a placa Tomad@ no Arduino. Essa placa possui um par de relês que podem ser ligados em uma tomada e acionados on / off através de sinal digital 0 ou 1 4. Vamos ligar uma tomada no relê da nossa placa ou então um aparelho qualquer.

void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { if(Serial.available() >0) { int incoming=Serial.read(); Serial.println("Recebendo dados"); Serial.println(incoming, DEC); acionarRele(incoming);// seu protocolo } }

void acionarRele(int codigo) { if(codigo=65) { Serial.println("HIGH no rele 1"); digitalWrite(3, HIGH); } else if(codigo=66) { Serial.println("LOW no rele 1"); digitalWrite(3, LOW); } else if(codigo=67) { Serial.println("HIGH no rele 2"); digitalWrite(2, HIGH); } else if(codigo=68) { Serial.println("LOW no rele 2"); digitalWrite(2, LOW); } }

Hacking Class Código Servlet response.setContentType("text/html;charset=UTF-8"); PrintWriter out = response.getWriter(); try { byte[] dados = new byte[1]; dados[0] = Byte.parseByte(request.getParameter("rele")); try { Arduino.enviar(dados); ...

outputStream = serialPort.getOutputStream(); serialPort.setSerialPortParams(9600, SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE); serialPort.notifyOnOutputEmpty(true); outputStream.write(bytes); serialPort.close();

Vamos praticar?
Laboratório de uso de Arduino e placa tomad@

Motores CC Baseados no principio da atração e repulsão entre pólos magnéticos os motores CC são uma aplicação inteligente da comutação de circuitos eletromagnéticos. Principio de Funcionamento:

Regra da mão esquerda O sentido da rotação do motor dependerá da polaridade da ligação da fonte de alimentação e está vinculada com a regra da mão esquerda, que define o sentido da corrente, do campo gerado e do movimento. E a velocidade de rotação dependerá da corrente que atravessa o circuito e consequentemente da tensão aplicada.

Partes de um Motor DC

Caracteristicas Gerais dos Motores CC
Um motor cc é caracterizado basicamente por:
Dimensionamento físico;
Potência nominal;
Tensão nominal;
Corrente nominal;
Velocidade nominal;
Torque nominal;
Torque de frenagem;
Potência (Watts) = Tensão (Volts) x Corrente (Amperes)

Redutor de rotação.

Circuito de acionamento com um transistor
A maneira mais simples de controlar um motor é utilizando um único transistor. Com esse método podemos controlar o acionamento e a velocidade do motor.
O circuito para esse controle é parecido com o circuito de acionamento do solenóide, como podemos ver a seguir:

Circuito para controle de 2 motores Podemos notar que a alimentação do circuito lógico é feita com 5V e a alimentação dos motores é separada, podendo ser de até 36V.

Servo Motores Principio de funcionamento

Vista explodida de um servomotor

Controle do Servo Motor

Características do Servo Motor Sistema de controle: Largura de pulso com 1,52ms para posição neutra Tipo do Motor: 3-polos Tensão de Alimentação: 4.8V ou 6V Consumo de potência: 6V x 8mA (em descanso) Torque: 33,3 oz-in (2,4 kg/cm) @ 4.8V 42 oz-in (3,0 kg/cm) @ 6V Tempo de trânsito: 0,28 seg/60° @ 4.8V 0,22 seg/60° @ 6V Dimensões: 40 x 20 x 36mm Peso: 44g Diametro do eixo: 5,88mm

Servos digitais
Possuem uma taxa de atualização da posição muito maior.
Enquanto os servos analógicos são atualizados 30 vezes por segundo (30Hz) os digitais são atualizados 300 vezes por segundo (300 Hz).
O torque pode chegar a ser 3 vezes maior que o do servo analógico.
Os servos digitais também podem ser programados em relação ao posicionamento, definindo limites e posições para o caso de falhas.

Conexão e Esquema Elétrico

Padrões de conexão dos Servos Outra diferença está na conexão mecânica do eixo do servo, que no Hitec tem 24 dentes e no Futaba 25.

Laboratório de servo
Laboratório de Servomotores
(laboratório assistido, instrutor guia alunos) Objetivo: Praticar. Tabela de atividades:

Arduino Hack Day por Vinicius Senger

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