Arduino – Uma introdução aos dispositivos microcontroladores DIY

Você pode transformar qualquer coisa em um computador no Arduin hoje em dia. Se você vir um LED ou LCD com um teclado, alguém provavelmente colocou um laptop dentro desse dispositivo. Algumas dessas coisas contêm até seis, sete ou mais computadores pequenos, chamados microcontroladores.

Dentro deles, dos quais o Arduino é o mais popular. Se você pretende criar seu dispositivo eletrônico com um computador embutido, deve entender o que são e como funcionam.

Só então você pode comprar alguns kits em uma loja de PCB e iniciar seus projetos.

O que é Arduino?

Esses pequenos computadores microcontroladores são geralmente chamados de controladores embarcados ou unidades microcontroladoras (MCU). Eles são sistemas de computador completos com tudo que você pode imaginar que entraria em um computador. Todos eles possuem uma unidade central de processamento para execução de programas, armazenamento temporário em RAM, sistemas de armazenamento permanente e portas para periféricos e acessórios.

Microcontroladores são apenas computadores de propósito individual construídos e projetados para realizar apenas algumas tarefas específicas. Na maioria das vezes, esses dispositivos executam apenas um único programa armazenado em alguma ROM. No entanto, você também pode anexar armazenamento externo a eles. De qualquer forma, eles são considerados dispositivos de baixa potência, e esse é o charme deles. Você pode executar um inteiramente em baterias.

Um Arduino é apenas uma versão de código aberto de um microcontrolador. Ele vem como uma placa de desenvolvimento de hardware que você pode usar para projetar e construir seus próprios dispositivos. Perfeito para tinkerers, hobistas e fabricantes, Arduino refere-se a um tipo específico de design de placa e à empresa que os fabrica e à comunidade de desenvolvedores que os utilizam. Por isso, você pode encontrá-los em quase todas as lojas ou catálogos de eletrônicos ou peças de PCB.

A plataforma vem como uma placa de circuito físico programável, o próprio microcontrolador e o software ou IDE (ambiente de desenvolvimento integrado) que você usa para criar o programa que o dispositivo executa. Popular entre os novos desenvolvedores, o Arduinos não requer um dispositivo programador separado, tornando-o muito mais fácil de usar do que outros kits de microcontroladores no mercado. Ele ainda usa uma versão simplificada da linguagem de programação C++, facilitando a programação.

1.1 O que compõe um Arduino?

As placas Arduinos vêm com alguns componentes e interfaces pré-instalados em uma única placa de circuito impresso (PCB) como um kit de microcontrolador. Esses componentes definem um formato padrão que torna o microcontrolador mais acessível.

Os componentes básicos

Embora o design tenha mudado ao longo dos anos, um kit básico de Arduinos vem com os seguintes componentes:

Conectores de pinos

Existem dois tipos de pinos:dispostos em um padrão específico, esses pinos permitem conectar o MCU às outras placas ou partes do seu dispositivo personalizado. Eles também permitem que você conecte uma placa complementar filha, chamada de “escudo”, ao seu dispositivo.

Digital – Conectores de entrada/saída (E/S) de estado único que podem ser ativados ou desativados. A maioria dos Arduinos tem 14 pinos digitais.

Analógico – Conectores de vários estados que podem ler um intervalo de valores. Você pode usá-los para um controle mais refinado. Geralmente são seis.

Terra - Rotulado GND, esses três pinos permitem aterrar seu dispositivo.

Poder – Os quatro pinos de 5 volts e cinco de 3 volts fornecem sinais de energia para complementos e outros acessórios.

Modulação de largura de pulso (PWM) – Oito dos pinos digitais funcionam como conectores PWM. Eles podem simular sinais de saída analógica para aplicações como LEDs de escurecimento

Referência analógica (AREF) – Às vezes usado para regular tensões externas, mas esses nove pinos raramente são usados.

Conector de alimentação

Este conector alimenta o dispositivo e cria energia de baixa tensão para LEDs, sensores e outros. Você pode usar o conector com um adaptador CA ou uma bateria pequena.

Processador principal

A CPU do microcontrolador é o coração da plataforma. Ele permite que o Arduino execute comandos e tome decisões com base em várias entradas e programas em execução. O mesmo chip varia entre os tipos de Arduinos, mas a maioria dos kits fornece chipsets Atmel com diferentes memórias integradas. Os modelos de processador padrão incluem:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Conector serial

A maioria das placas Arduino vem com uma porta USB padrão que permite conectar o MCU ao seu computador para carregar novos programas. Em algumas placas, a porta USB também funciona como conector de alimentação.

Botão Redefinir

As placas Arduino também contêm um botão de reset. Pressionar o botão aciona o pino de reinicialização. Ele reinicia qualquer código atualmente em execução, perfeito quando você deseja testar algo, mas seu programa não possui um recurso de reinicialização.

Indicador LED de energia

Alguns MCUs Arduino vêm com um LED Power que indica se a unidade está ligada. Geralmente, o LED acende quando você conecta a equipe a uma fonte de energia. Se esta luz não acender, há uma boa chance de que algo esteja errado.

LEDs de transmissão e recepção de sinal

Etiqueta como TX (transmissão) e RX (recebimento); esses LEDs mostram atividade de comunicação serial. Eles fornecem uma pista visual sutil quando a unidade está recebendo ou transmitindo dados.

Regulador de tensão

Embora não sejam programáveis ​​pelo usuário, as placas Arduino vêm com um regulador de tensão. O regulador controla a quantidade de tensão que passa pela placa. Tem limites, é claro, mas a maioria dos projetos não terá voltagens acima de 20 volts.

1.2 Complementos e acessórios do Arduino

Os componentes acima vêm com todos os MCUs do Arduino, mas não são os únicos componentes eletrônicos que você pode usar com a plataforma. As placas são compatíveis com todos os padrões IEEE e ISO. Assim, você pode usar qualquer peça pronta para uso para tornar seu projeto Arduino interessante. No entanto, a especificação da plataforma Arduinos exige alguns complementos compatíveis com a plataforma. Por causa disso, a maioria dos fornecedores de Arduinos também carrega alguns sensores e shields Arduino. Nenhum projeto Arduino estará completo sem eles também.

Sensores

Você pode usar um pouco de código para controlar seus Arduinos e interagir com uma série de sensores.

A maioria dos fornecedores de Arduino oferece sensores para medir:

• Luz
• Temperatura
• Grau de flexibilidade
• Pressão
• Proximidade
• Aceleração
• Monóxido de carbono
• Radioatividade
• Umidade
• Pressão barométrica

Breadboard do Arduino

Você também pode obter uma placa de ensaio sem solda para seu projeto. Esta placa permite que você prototipe e experimente seus projetos e layouts de circuitos sem soldar permanentemente seus componentes à sua PCB. Você pode experimentar e testar suas ideias de layout e design. A placa de ensaio não tem um adaptador de energia. Então, ajudaria se você usasse fios de jumper para alimentá-lo através da placa-mãe.

Escudos

As peças finais do quebra-cabeça do Arduino são os shields do Arduino. Essas placas filhas pré-construídas se encaixam na placa principal do Arduino para oferecer recursos adicionais.

Algumas funções de blindagem padrão incluem

Motores de controle

Conectividade com a Internet

Redes e comunicações móveis e celulares

controladores de tela LCD

Os desenvolvedores do Arduino usaram o ambiente de desenvolvimento integrado oficial do Arduino (IDE) para escrever seus programas do Arduino. O IDE baseado em Java de código aberto funciona em todas as plataformas que executam Windows, Mac e Linux. Ele oferece um ambiente exclusivo para escrever e testar código escrito na linguagem de programação Processing antes de carregá-lo em seu dispositivo.

O Arduino Uno – O Arduino mais popular

Como não há dois projetos iguais, o grupo Arduino lançou especificações para alguns tipos de placas Arduino. Um dos mais populares desses tipos de placa é o Arduino Uno.

Como uma excelente escolha para iniciantes, o Arduino Uno MCU de US $ 22 é uma placa básica. Ele vem apenas com os componentes essenciais, mas permite que você crie seu projeto do seu jeito. Com 25 gramas, este PCB de 68,5 por 53,4 milímetros é leve o suficiente para caber dentro de um gabinete também.

A versão atual, o Arduino Uno R3, vem com:

• Microprocessador ATmega328P
• 14 pinos de entrada/saída digital
  • 6 saídas PWM
  • LED embutido (conectado ao pino 13)
  • 5 volts, 3,3 volts e saída de tensão do pino de aterramento

• Seis pinos analógicos
• Porta USB
• Tomada de alimentação
• Botão Redefinir
• Tensão operacional de 5 volts
• 32 KB de memória flash
• 2 KB SRAM e 1 KB EEPROM

O Uno pode não ser a primeira placa Arduino, mas é a mais utilizada. É também o fator de forma mais documentado com toneladas de tutoriais de projetos e fóruns em toda a Internet.

Arduino Mega – O MCU para grandes projetos

Efetivamente quatro Uno MCUs em um, o Arduino Mega é a placa para seus grandes projetos. Alimentado por um chip Atmel ATmega2560, o Mega traz quatro portas seriais para a mesa com uma porta USB separada para alimentação e interfaces com computadores. Ele ainda possui um processador ATmega16U2 dedicado apenas para a porta USB extra. Você também pode alimentar o MCU com uma bateria.

O Mega tem:

• 54 pinos de entrada/saída digital (E/S) com 14 pinos compatíveis com PWM
• 16 pinos de E/S analógicos
• Porta USB
• Tomada de força
• Botão Redefinir

O grande número de pinos do Mega compõe a placa. Você pode usá-los em projetos que exigem muitas conexões de E/S digitais, LEDs ou botões.

O restante do poder do Mega MCU vem de seu processador. O microprocessador ATmega2560 pode fazer qualquer coisa que você possa jogar nele. Possui uma velocidade de clock de 16 MHz, 256 KB de flash, 8 KB de SRAM e 4 KB de EEPROM. Tudo isso faz do Arduino Mega a placa principal para impressoras 3D e robótica.

Arduino ESP8266 torna seus projetos sem fio

Nenhuma placa Arduino vem com rede sem fio na própria placa. Você também não o encontrará em nenhum dos escudos disponíveis. Você precisa de um módulo Wi-Fi Arduino ESP8266 se quiser tornar seu projeto sem fio.

Embora existam módulos mais recentes, o ESP2866 é o original. Pode não ser projetado para funcionar como um MCU autônomo, mas seu projeto precisa de um no mercado móvel atual.

Ele oferece alguma conectividade sem fio decente, no entanto. A placa vem com pinos de alimentação, terra, transmissão e recepção para conectar esses recursos ao seu Arduino central, bem como um pino liga-desliga e “desligamento controlado por chip” (CH_PD). Você também tem um reset e dois pinos de dados GPIO.

Há uma desvantagem. O ESP8266 requer um sinal de alimentação de 5 volts. Não funcionará com o padrão Arduino de 3,5 volts.

Subsistema e estrutura PWM

5.1 Arduíno PWM

A Modulação por Largura de Pulso (PWM) simula um sinal analógico usando sinais de onda quadrada com frequências e amplitudes variadas. A plataforma Arduino utiliza esses sinais para regular circuitos analógicos com suas saídas digitais.

A plataforma Arduino PWM não é uma peça separada de hardware. Todas as placas Arduino vêm com as chamadas do sistema integradas. Você precisa escrever um programa que os use. O comando cria a onda quadrada através de um pino compatível.

5.2 Arduino Nano – Perfeito para pequenos dispositivos e projetos

Como a versão mais em miniatura da plataforma Arduino, o Arduino Nano oferece os mesmos recursos que o Uno em um pacote muito menor alimentado por um processador ATmega328P e um coprocessador Atmega168. Ele usa o mesmo software Arduino IDE que as outras placas Arduino também.

O Nano vem com:

• 14 pinos de E/S digital com 6 pinos compatíveis com PWN
• Oito pinos analógicos
• Tensão de operação de 5 volts
• Botão Redefinir
• Porta USB
• Porta serial
• 32kb de memória flash
• 8 kb SRAM
• 1 kb EEPROM

Apesar de seu tamanho, o Nano funciona muito bem com os seguintes tipos de projeto:

• Sistemas incorporados
• Automação
• Robótica
• Sistemas de controle
• Instrumentação

Por que escolher um Arduino em vez de um Raspberry Pi?

A plataforma Arduino não é o único MCU do mercado. Muitos dos outros MCUs oferecem os mesmos recursos do Arduino, incluindo o Raspberry Pi. No entanto, o PI é um produto muito diferente do Arduino.

Por um lado, o Raspberry PI é um computador inteiro. O Arduino não. Um microcomputador é apenas um pequeno componente que compõe um computador. Por causa disso, a plataforma Arduino fornece apenas um pequeno subconjunto do que o PI tem a oferecer. Por exemplo, ele pode executar apenas pequenos aplicativos e não um sistema operacional de computador completo.

6.1 Pontos fortes e fracos do

Isso não significa que o Arduino é inútil. É perfeito para projetos de eletrônica que não precisam de um computador inteiro para funcionar. Você pode conectá-lo diretamente aos seus componentes e sensores e fazer com que tudo funcione imediatamente com pouca ou nenhuma configuração.

O Arduino pode fazer isso por causa de como o firmware do Arduino funciona. O firmware é o software principal que executa a linha de placas Arduino. Ele também se comunica com seu computador via USB para lhe dar acesso a todos os seus recursos programáveis. Embora você sempre possa substituir o firmware, nunca precisará fazê-lo. Você nem precisa reiniciá-lo. Depois de fazer o upload do seu código, você pode executá-lo em qualquer lugar imediatamente. Não há necessidade de teclado, tela ou meios para escolher um aplicativo. O conselho fará o único trabalho que você lhe der.

6.2 O Raspberry Pi é um computador completo

Em contraste, o Raspberry Pi é um computador totalmente funcional. Ele precisa de um sistema operacional para ser executado, o que requer reinicialização para permanecer operacional. A placa também não tem armazenamento interno. Ajudaria se você fornecesse cuidados micro-SD externos para armazenar os programas que deseja executar. Embora tenha Ethernet integrada, você pode atualizar o software sem precisar remover a placa.

O Pi é executado em uma CPU Broadcom Arm-v6 completa com memória e um processador gráfico HDMI. A placa também funciona muito bem com teclado e mouse, permitindo que você carregue uma variante do Linux e a tenha para que ninguém possa dizer que você usou uma máquina tão pequena para dirigir tudo. Isso é o quão poderoso é. É a plataforma perfeita para projetos que exigem total interatividade do usuário e todo esse poder de processamento.

No entanto, esse poder torna o Pi inadequado para projetos menores. Por exemplo, você precisa conectar um LED em uma placa Arduino para acendê-la com apenas oito linhas de código. O Pi exigirá bibliotecas extras além do seu código apenas para começar, e isso se você já tiver um sistema operacional já instalado na placa.

Isso não significa que você não pode usar o Raspberry Pi e o Arduino para os mesmos tipos de projetos. Você pode instalar bibliotecas de framework que darão ao Pi os mesmos recursos que o Arduino. Leva muito mais tempo e esforço para usar um Pi em um projeto.

O Arduino também tem uma comunidade maior de desenvolvedores. Como a plataforma mais popular para projetos eletrônicos, o Arduino tem muitos tutoriais para iniciantes para ajudá-lo a começar.

Independentemente disso, você nunca precisa escolher entre essas duas placas. Eles funcionam muito bem juntos. Com o acessório adequado, seu Arduino pode se tornar uma placa de extensão filha para seu Raspberry Pi, dando a ambas as placas acesso às funções uma da outra.

Conclusão

O Arduino é uma família de plataformas de microcontroladores projetada especificamente para projetos eletrônicos do tipo “faça você mesmo”. Essas placas de uso único vêm com tudo o que você precisa para automatizar sua tarefa e muito mais. Você tem que conectá-lo ao seu computador, criar algum código e apenas executá-lo. Ele fará o resto.

Para obter um ou qualquer outro componente para seus projetos, entre em contato conosco imediatamente. Nossos representantes entendem o Arduino e estão prontos para ajudá-lo a decidir qual placa e complementos são adequados para você. Podemos até ajudá-lo a obter as peças necessárias para conectar seu Arduino a um Raspberry Pi para levar seus dispositivos ao próximo nível.