Sensores Raspberry Pi

Neste artigo, por Rushi Gajjar , autor do livro Raspberry Pi Sensors, você verá os requisitos básicos para a construção dos projetos RasPi. Você não pode passar nem um dia sem eletrônicos, pode? A eletrónica está em todo o lado, desde a sua escova de dentes a carros e também em aviões e naves espaciais. Este artigo o ajudará a entender os conceitos de eletrônica que podem ser muito úteis ao trabalhar com o RasPi.

Você pode ter lido muitos livros relacionados à eletrônica e eles podem ter entediado você com conceitos quando você realmente queria criar ou construir projetos. Eu acredito que deve haver um motivo para explicações sobre a eletrônica e suas aplicações.

Assim que você conhecer a eletrônica, examinaremos os protocolos de comunicação e seus usos no que diz respeito à comunicação entre componentes eletrônicos e diferentes técnicas para fazê-lo. Dicas úteis e precauções são listadas antes de começar a trabalhar com GPIOs no RasPi. Então, você entenderá as funcionalidades do GPIO e piscará o LED usando shell, Python e código C.

Vamos cobrir alguns dos fundamentos da eletrônica.

(Para obter mais recursos relacionados a este tópico, consulte aqui.)

Terminologias básicas de eletrônica

Existem inúmeras terminologias usadas no mundo da eletrônica. Do hardware ao software, existem milhões de conceitos usados ​​para criar produtos e projetos surpreendentes. Você já sabe que o RasPi é um computador de placa única que contém muitos componentes eletrônicos integrados, o que nos deixa muito confortáveis ​​para controlar e fazer a interface dos diferentes dispositivos eletrônicos conectados através de sua porta GPIO. Em geral, quando falamos em eletrônica, é apenas o hardware ou um circuito composto de vários Circuitos Integrados ( ICs ) com diferentes resistores, capacitores, indutores e muitos mais componentes. Mas isso nem sempre é o caso; quando construímos nosso hardware com CIs programáveis, também precisamos cuidar da programação interna (o software). Por exemplo, em um microcontrolador ou microprocessador, ou mesmo no caso do RasPi, podemos alimentar o programa (tecnicamente, queimar / descartar permanentemente os programas) nos ICs para que, quando o IC for ligado, siga as etapas escritas no programa e se comporta da maneira que queremos. É assim que robôs, suas máquinas de lavar e outros eletrodomésticos funcionam. Todos esses aparelhos têm diferentes complexidades de design, que dependem de sua aplicação. Existem algumas funções que podem ser executadas por software e hardware. O designer tem que analisar o trade-off experimentando em ambos; por exemplo, a função de decodificador pode ser escrita no software e também pode ser implementada no hardware conectando ICs lógicos. O desenvolvedor deve analisar a velocidade, o tamanho (tanto no hardware quanto no software), complexidade e muitos outros parâmetros para projetar esses tipos de funções. O objetivo de discutir essas teorias é ter uma ideia de como a eletrônica pode ser complexa. É muito importante que você conheça essas terminologias porque precisará delas com frequência ao construir os projetos do RasPi.

Quem descobriu a voltagem? Ok, isso não é importante agora, vamos entender primeiro. O conceito básico segue a física por trás do fluxo de água. A água pode fluir de duas maneiras; um é uma cachoeira (por exemplo, do topo de uma montanha até o solo) e o segundo é um fluxo forçado por meio de uma bomba d'água. O conceito por trás do entendimento da tensão é semelhante. Tensão é a diferença de potencial entre dois pontos, o que significa que uma diferença de tensão permite o fluxo de cargas (elétrons) do potencial mais alto para o potencial mais baixo. Para entender o exemplo anterior, considere raios, que podem ser comparados a uma cachoeira, e baterias, que podem ser comparadas a uma bomba d'água. Quando as baterias são conectadas a um circuito, as reações químicas dentro delas bombeiam o fluxo de cargas do terminal positivo para o terminal negativo. A tensão é sempre mencionada em volts (V). A célula de bateria AA geralmente fornece 3V. Aliás, o termo tensão foi batizado em homenagem ao grande cientista Alessandro Volta, que inventou a célula voltaica, que na época era conhecida como célula de bateria.

A corrente é o fluxo de cargas (elétrons). Sempre que uma diferença de tensão é criada, ela faz com que a corrente flua em uma direção fixa do terminal positivo (superior) para o terminal negativo (inferior) (conhecido como corrente convencional). A corrente é medida em amperes (A). A corrente de elétrons flui do terminal negativo da bateria para o terminal positivo. Para evitar confusão, seguiremos a corrente convencional, que vai do terminal positivo ao terminal negativo da bateria ou da fonte.

O significado da palavra “resistir” no dicionário Oxford é “tentar parar ou prevenir”. Como diz a definição, um resistor simplesmente impede o fluxo de corrente. Quando a corrente flui através de um resistor, há uma queda de tensão nele. Essa queda depende diretamente da quantidade de corrente que flui através do resistor e do valor da resistência. Existe uma fórmula usada para calcular a quantidade de queda de tensão no resistor (ou no circuito), que também é chamada de lei de Ohm ( V =I * R ) A resistência é medida em ohms (Ω). Vamos ver como a resistência é calculada com este exemplo:se a resistência é 10Ω e a corrente que flui do resistor é 1A, então a queda de tensão no resistor é 10V. Aqui está outro exemplo:quando conectamos LEDs em uma fonte de 5 V, conectamos um resistor de 330Ω em série com os LEDs para evitar o apagamento dos LEDs devido ao excesso de corrente. O resistor cai alguma voltagem nele e protege os LEDs. Usaremos extensivamente resistores para desenvolver nossos projetos.

Um resistor dissipa energia na forma de calor. Em contraste com isso, um capacitor armazena energia entre suas duas placas condutoras. Freqüentemente, os capacitores são usados ​​para filtrar a tensão fornecida nos circuitos do filtro e para gerar voz clara nos circuitos do amplificador. Explicar o conceito de capacitância será muito pesado para este artigo, então deixe-me chegar ao ponto principal:quando temos baterias para armazenar energia, por que precisamos usar capacitores em nossos circuitos? Existem vários benefícios em usar um capacitor em um circuito. Muitos livros dirão que ele atua como um filtro ou supressor de sobretensão e usarão termos como suavização de potência, desacoplamento, bloqueio CC e assim por diante. Em nossas aplicações, quando usamos capacitores com sensores, eles mantêm o nível de tensão por algum tempo para que o microprocessador tenha tempo suficiente para ler esse valor de tensão. Os dados do sensor variam muito. Ele precisa ser estável enquanto um microprocessador estiver lendo esse valor para evitar cálculos errôneos. O tempo de retenção de um capacitor depende de uma constante de tempo RC, que será explicada quando realmente o usarmos.

Agora, há um ponto interessante a ser observado:quando há tensão disponível no terminal, mas nenhum componente está conectado aos terminais, não há fluxo de corrente, que geralmente é chamado de circuito aberto. Em contraste, quando dois terminais estão conectados, com ou sem um componente, e a carga pode fluir, isso é chamado de curto-circuito, circuito conectado ou circuito fechado.

Aqui está um aviso para você:não curto (conecte diretamente) os dois terminais de uma fonte de alimentação, como baterias, adaptadores e carregadores. Isso pode causar sérios danos, que incluem incêndio e falha de componentes. Se conectarmos um fio condutor sem resistência, vamos ver o que a lei de Ohm resulta em:R =0Ω então I =V / 0, então I =∞A. Em teoria, isso é chamado de infinito (incontável) e, na prática, significa um incêndio ou uma explosão!

Na teoria elétrica, quando a corrente que flui através de um componente não se divide em caminhos, é uma conexão em série. Além disso, se a corrente que flui através de cada componente for a mesma, esses componentes são considerados em série. Se a voltagem em todos os componentes for a mesma, então a conexão é considerada em paralelo. Em um circuito, pode haver combinação de conexões em série e paralelas. Portanto, um circuito não pode ser puramente em série ou paralelo. Vamos estudar os circuitos mostrados no diagrama a seguir:

À primeira vista, esta figura parece complexa com muitas notações, mas vamos examinar cada componente separadamente. A figura à esquerda é uma conexão em série de componentes. A bateria fornece voltagem ( V ) e atual ( I ) A direção do fluxo da corrente é mostrada no sentido horário. Conforme explicado, em uma conexão em série, a corrente que flui através de cada componente é a mesma, mas os valores de tensão em todos os componentes são diferentes. Portanto, V =V1 + V2 + V3 . Por exemplo, se a bateria fornece 12 V, a tensão em cada resistor é 4 V. A corrente que flui através de cada resistor é de 4 mA (porque V =IR e R =R1 + R2 + R3 =3K )

A figura à direita representa uma conexão paralela. Aqui, cada um dos componentes obtém a mesma voltagem, mas a corrente é dividida em caminhos diferentes. A corrente que flui do terminal positivo da bateria é I, que é dividida em I1 e I2. Quando I1 flui para o próximo nó, ele é novamente dividido em duas partes e passa por R5 e R6. Portanto, em um circuito paralelo, I =I1 + I2 . A tensão permanece a mesma em todos os resistores. Por exemplo, se a bateria fornece 12 V, a tensão em todos os resistores é de 12 V, mas a corrente em todos os resistores será diferente. No exemplo de conexão paralela, a corrente fluída através de cada circuito pode ser calculada aplicando as equações de divisão de corrente. Experimente calcular!

Quando há uma combinação de circuitos em série e paralelos, são necessários mais cálculos e análises. As leis, nós e equações de malha de Kirchhoff podem ser usados ​​para resolver esses tipos de circuitos. Tudo isso é muito complexo para explicar neste artigo; você pode consultar qualquer livro relacionado à teoria dos circuitos padrão e ganhar experiência nisso.

Lei atual de Kirchhoff:em qualquer nó (junção) em um circuito elétrico, a soma das correntes que fluem para esse nó é igual à soma das correntes que fluem para fora desse nó.

Lei de tensão de Kirchhoff:a soma direcionada das diferenças de potencial elétrico (tensão) em torno de qualquer rede fechada é zero.

Os resistores pull-up e pull-down são uma das terminologias importantes no projeto de sistemas eletrônicos. Como o título diz, existem dois tipos de resistores de tração:pull-up e pull-down. Ambos têm a mesma funcionalidade, mas a diferença é que o resistor pull-up puxa o terminal para a tensão fornecida e o resistor pull-down puxa o terminal para o terra ou a linha comum. A importância de conectar um resistor de pull a um nó ou terminal é trazer de volta o nível lógico ao valor padrão quando nenhuma entrada está presente naquele terminal específico. O benefício de incluir um resistor pull-up ou pull-down é que torna o circuito suscetível a ruído, e o nível lógico (1 ou 0) não pode ser alterado de uma pequena variação em termos de tensões (devido ao ruído) no terminal. Vamos dar uma olhada no exemplo mostrado na figura a seguir. Ele mostra um exemplo pull-up com uma porta NOT (uma porta NOT fornece uma saída invertida em seu terminal OUT; portanto, se um lógico for a entrada, a saída será zero lógico). Vamos considerar os efeitos com e sem o resistor pull-up. O mesmo é verdadeiro para o resistor pull-down.

Em geral, as portas lógicas têm alta impedância em seu terminal de entrada, portanto, quando não há conexão no terminal de entrada, é denominado como flutuante. Agora, na figura anterior, a conexão mais à esquerda não é recomendada porque quando a chave está aberta (estado OFF), ela deixa o terminal de entrada flutuando e qualquer ruído pode alterar o estado de entrada da porta NOT. O motivo do ruído pode ser qualquer. Mesmo os terminais abertos podem atuar como uma antena e podem criar ruído no pino da porta NOT. O circuito mostrado no meio é um circuito pull-up sem um resistor e é altamente recomendável não usá-lo. Esse tipo de conexão pode ser chamado de pull-up, mas nunca deve ser usado. Quando a chave é fechada (estado LIGADO), o VCC obtém um caminho direto para o terra, que é o mesmo que um curto-circuito. Uma grande quantidade de corrente fluirá do VCC para o aterramento e isso pode danificar seu circuito.

A figura mais à direita mostra a melhor maneira de puxar para cima porque há um resistor no qual ocorrerá alguma queda de tensão. Quando a chave está aberta, o terminal da porta NOT será flutuado para o VCC (puxado para cima), que é o padrão. Quando a chave é fechada, o terminal de entrada da porta NOT será conectado ao aterramento e passará pelo estado lógico zero. A corrente que flui através do resistor será nominal neste momento. Por exemplo, se VCC =5V, R7 =1K e I =V / R , então I =5mA, que está na região segura. Para o exemplo do circuito pull-down, pode haver uma troca entre a chave e um resistor. O resistor será conectado entre o aterramento e o terminal de entrada da porta NOT. Ao usar sensores e ICs, lembre-se de que se houver uma anotação sobre o uso de pull-ups ou pull-downs em planilhas de dados ou manuais técnicos, é recomendável usá-los sempre que necessário.

Protocolos de comunicação

Tem sido muita teoria até agora. Pode haver vários componentes, incluindo ICs e sensores digitais, como periféricos de um microprocessador. Pode haver uma grande quantidade de dados com os dispositivos periféricos e pode ser necessário enviá-los ao processador. Como eles se comunicam? Como o processador entende que os dados estão entrando nele e que estão sendo enviados pelo sensor? Há uma conexão serial ou paralela de linha de dados entre os ICs e um microprocessador. As conexões paralelas são mais rápidas do que as seriais, mas são menos preferidas porque exigem mais linhas, por exemplo, 8, 16 ou mais do que isso. Um barramento PCI pode ser um exemplo de comunicação paralela. Normalmente em um circuito complexo ou de alta densidade, o processador é conectado a muitos periféricos e, nesse caso, não podemos ter tantos pinos / linhas livres para conectar um único IC adicional. A comunicação serial requer até quatro linhas, dependendo do protocolo usado. Ainda assim, não se pode dizer que a comunicação serial é melhor do que a paralela, mas a serial é preferida quando a contagem de pinos baixa entra em cena. Na comunicação serial, os dados são enviados por quadros ou pacotes. Dados grandes são divididos em blocos e enviados pelas linhas por um quadro ou pacote. Agora, o que é um protocolo? Um protocolo é um conjunto de regras que precisam ser seguidas durante a interface dos ICs com o microprocessador, e não está limitado à conexão. O protocolo também define as estruturas de quadro de dados, comprimentos de quadro, níveis de voltagem, tipos de dados, taxas de dados e assim por diante. Existem muitos protocolos seriais padrão, como UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C e muito mais. O RasPi 1 modelos B, A +, B + e o RasPi 2 modelo B têm um pino SPI, um pino I2C e um pino UART disponíveis na porta de expansão. Veremos esses protocolos um por um.

UART é uma interface ou protocolo muito comum, encontrada em quase todos os PCs ou microprocessadores. UART é a forma abreviada de receptor e transmissor assíncrono universal. Isso também é conhecido como padrão RS-232. Este protocolo é full-duplex e um padrão completo, incluindo características elétricas, mecânicas e físicas para uma instância particular de comunicação. Quando os dados são enviados por um barramento, os níveis de dados precisam ser alterados para se adequar aos níveis do barramento RS-232. Tensões variáveis ​​são enviadas por um transmissor em um barramento. Um valor de tensão maior que 3 V é lógico zero, enquanto um valor de tensão menor que -3 V é lógico um. Valores entre -3V a 3V são chamados de estados indefinidos. O microprocessador envia os dados para a lógica transistor-transistor ( TTL ) nível; quando os enviamos para o barramento, os níveis de tensão devem ser aumentados para o padrão RS-232. Isso significa que, para converter a tensão dos níveis lógicos de um microprocessador (0V e 5V) para esses níveis e vice-versa, precisamos de um IC deslocador de nível, como MAX232. Os dados são enviados por meio de um conector DB9 e um cabo RS-232. A mudança de nível é útil quando nos comunicamos de longa distância.

O que acontece quando precisamos nos conectar sem esses ICs deslocadores de nível adicionais? Essa conexão é chamada de conexão NULL, conforme mostrado na figura a seguir. Pode-se observar que os pinos de transmissão e recepção de um transmissor são interconectados e os pinos de aterramento são compartilhados. Isso pode ser útil na comunicação de curta distância. No UART, é muito importante que as taxas de transmissão (símbolos transferidos por segundo) correspondam entre o transmissor e o receptor. Na maioria das vezes, usaremos 9600 ou 115200 como taxas de transmissão. O quadro típico de comunicação UART consiste em um bit de início (geralmente 0, que informa ao receptor que o fluxo de dados está prestes a começar), dados (geralmente 8 bits) e um bit de parada (geralmente 1, que informa ao receptor que a transmissão é sobre).



Para mais detalhes:Sensores Raspberry Pi