OFICINA Uso da plataforma Arduinono Ensino de...

Astrogildo JunqueiraDocente Física/IFSP

Lucas D´AmásioDavid Larronda

Licenciandos/IFSP

Apoio Financeiro:Prodocência / Capes

OFICINA

Uso da plataforma Arduino no Ensino de Ciências

Wikipedia: plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre, projetada com um microcontrolador Atmel AVR de placa única, com suporte de

entrada/saída embutido, uma linguagem de programação padrão essencialmente em C / C++.

Entrada USB

Pinos E/S Digitais

Pinos E/S Analógicas

CONHECENDO A PLATAFORMA ARDUINO

MicrocontroladorAtmel AVR

LED

Conexão ao computador por cabo

USB

Indica se o arduíno estáligado a uma fonte; conectado ao pino 13.

“cérebro” do arduíno. Marca Atmega, com 10bits e 32KB de memória.

14 portas de entrada/saída digitais (sinal elétrico de “0” ou de “1”)

6 portas de entrada/saída analógica (sinais “contínuos”).

IDE: Ambiente de Desenvolvimento Integrado(Integrated Development Environment)

O IDE pode ser baixado gratuitamente de: www.arduino.cc

IDE: PROGRAMANDO O ARDUÍNO

Nesta área serão escritos os comandos para o arduíno

PROTOBOARD: MONTANDO PROJETOS ARDUINO

Placa de plástico em que os orifícios são conectados internamente por trilhas metálicas. Os oríficiosservem para a inserção de terminais de componentes e fios de conexão.

sentidos das trilhas no protoboard

Fios de conexão (ou “jumpers”) entre o arduíno e o protoboard

Sensor para temperatura:

SENSORES E SHIELDS PARA ARDUÍNO

Sensor de distância por US:

Acelerômetro de três eixos

Bússola digital três eixos

Shield Bluetooth:

Shield Ethernet:

Sensor LDR

EXPERIMENTOS COM ARDUÍNO NO ENSINO DE FÍSICA

Irradiação Térmica: Sensor de temperatura (LM35)

Duas latinhas, branca e preta, iluminadas por uma lâmpada, com um sensor em cada uma. Variação da temperatura com o tempo

Fonte: Atividades realizadas na disciplina de Termodinâmica da Licenciatura em Física/IFSP

Fonte: A placa Arduino: opção de baixo custo para experiências de Física por Souza et al., RBEF, vol. 33(1), 2011.

Oscilação de uma régua: Sensor de luz (LDR)


Pêndulo vertical: sensor de ultrasom


Movimento Oscilatório Vertical com Arduíno

40

50

60

70

80

100 150 200 250 300 350 400

Tempo (ua)

Po

siç

ão

(u

a)

Fonte: Atividade realizada para o teste do sensor LV-MaxSonar para essa oficina

ARDUINO: NOSSO PRIMEIRO PROJETOAcendendo e Apagando LED

Os primeiros componentes

LED (Light Emitting Diode): Diodo EmissordeLuz: diodo semicondutor que ao ser energizado emite luz visível. Possui polaridade, portanto, a perna maior deve ser ligada à tensão de alimentação e a perna menor à terra (GND da placa).

Resistor: dispositivo que dificulta a passagem da corrente elétrica e transforma a energia elétrica em energia térmica. Não possui polaridade.

CIRCUITO COM UM RESISTOR E UM LED EM SÉRIE

MATERIAIS:

• 1 LED

• 1 RESISTOR

• PROTOBOARD

• FIOS CONECTORES

• PLACA ARDUINO


Montando o circuito:

Após realizada as conexões dos componentes, são escritos os códigos de comandos no IDE e salvos na memória do arduíno. Os comandos que usaremos são indicados abaixo.

void setup() { pinMode(13, OUTPUT); // define a porta digital 13

// para sinal de saida para o LED

}

void loop() {digitalWrite(13, HIGH); // acende o LED

delay(1000); // aguarda por um segundo

digitalWrite(13, LOW); // apaga o LED

delay(1000); // aguarda por um segundo

}

Porém, antes de iniciarmos, vamos conversar um pouco sobre circuitos elétricos, algumas leis básicas e a lógica dos comandos aqui usados.


ARDUINO: NOSSO PRIMEIRO PROJETOAntes, um pouco de eletrônica

Lei de Ohm

Conceitos fundamentais para entendermos os circuitos elétricos são os de corrente (i) e tensão (V) elétricas e o de resistência (R).A relação entre eles é dado pela Lei de Ohm: V = R.i.

V = R.i i = V/R = 9/90 = 0,1 A

Se conectarmos uma lâmpada com resistência de 90 a uma bateria de 9 V, a corrente elétrica fluindo pelo circuito será dada pela Lei de Ohm:

Podemos ligar dois ou mais componentes resistivos (lâmpada, resistor, etc.) basicamente de duas maneiras: série e paralelo.

Ligação em série: a mesma corrente passa pelos dois componentes resistivos

Ligação em paralelo: a mesma tensão elétrica éaplicado aos dois componentes resistivos

Ligações Série e Paralelo

ARDUINO: NOSSO PRIMEIRO PROJETOAntes, um pouco de eletrônica

Para não queimarmos um LED, ele é ligado em série com resistor R. O valor mínimo desta resistência édada pela Lei de Ohm.Suponha que o LED suporte até 2 V de tensão e corrente de 10 mA = 0,010 A e está ligado junto com a resistência a uma fonte de V = 5 V.

Se ele suporta apenas 2 V, então 3 V da fonte devem ir para o resistor R.

Vres = R.i R = Vres/i = 3/0,01 = 300

Vres + VLED = 5 V Vres = 5 V - 2 V = 3 V

Pela Lei de Ohm, o valor mínimo da resistência deve ser:

Programação: códigos de comando

void setup() { // initialize the digital pin as an output.// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards:pinMode(13, OUTPUT);

}

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH);

delay(1000);

digitalWrite(13, LOW);

delay(1000);

}

Porta de saída

Definições

Saída para LED (HIGH = 5 V)

Espera 1000 ms

Saída para LED (LOW = 0 V)

Espera 1000 ms

Laço: Repete indefinidamente

Observação: o que estiver escrito após “//” não é lido pelo arduíno, apenas observações do programador.


Conferindo (compilando) a programação

Depois de escrever os comandos, pressione o botão . O IDE irá verificar se há algum erro de lógica na programação.

Montando o circuito

Conforme discutido, e com o arduíno desconectado, conecte, usando os fios e o protoboard, os componentes do circuito: Arduino-LED-resistor.

Escrevendo o sketch

Escreva a programação no IDE, com o Arduino desconectado

ARDUINO: NOSSO PRIMEIRO PROJETOMontando o projeto

Porta de comunicação com o Arduino

Conecte o computador com o Arduino via cabo USB. Após isso, vá em “Ferramentas”, depois em “porta”. Escolha uma porta de comunicação com o Arduíno.

Gravando na memória do Arduino

Estabelecida a comunicação, pressione o botão . O IDE irá gravar na memória do Arduíno os comandos.

Se tudo der certo, você verá o arduíno piscando e em seguida o LED no protoboard acendendo e apagando conforme os comandos.

EXERCÍCIO: PROJETO COM 3 LEDS

Levando em consideração a discussão realizada até aqui, tente montar um projeto com 3 LEDs ligados ao arduíno, acendendo e apagando alternadamente os LEDS.

void setup() { pinMode(11, OUTPUT);pinMode(12, OUTPUT);pinMode(13, OUTPUT);

}

void loop() {digitalWrite(11, HIGH); delay(1000); digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(12, HIGH); delay(1000); digitalWrite(12, LOW); digitalWrite(13, HIGH); delay(1000); digitalWrite(13, LOW);

}

PROJETO: LED COM PWM

Pinos PWM: nesse projeto vamos usar os pinos 3, 5 e 6, que também são pinos PWM (Pulse withModulation). Esse pinos são indicados pelo sinal ~ (til). Com ele, podemos fornecer valores de tensão fracionários entre HIGH (5 V) e LOW (0 V), com passos de tensão de V = 5 V / 256 ~ 0,0195 V, permitindo uma variação gradual da tensão entre 0 V e 5 V.

AnalogWrite(pino, valor): Com esse comando, podemos enviar um valor fracionário (de 0 a 255) para o pino PWM. Para o estado 255, associamos o valor 5V e para o estado 0, associamos o valor 0 V

AnalogWrite(3, 0)Pino 3

Valor 0 (mínimo)

AnalogWrite(3, 255)Pino 3

Valor 255 (máximo)

Vamos montar um projeto simples com apenas um LED e verificar como funciona o pino PWV.

void setup() { pinMode(3, OUTPUT);

}

void loop() {analogWrite(3, 255);

}

PROJETO: LED COM PWM

ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO E AS CORES

A luz é aquilo que chamamos em Física de Ondas Eletromagnéticas. Além das ondas que enxergamos (a luz), temos outros tipos de ondas EM para os quais nossos olhos não são sensíveis. O que caracteriza as regiões do chamado espectro eletromagnético são as freqüências de oscilações das ondas EM (ou seja, quantas oscilações numa unidade de tempo).

https://pt.wikipedia.org/wiki/Espectro_eletromagnetico

CORES: REGIÃO DO VÍSIVEL.

A região do visível, que é composta das frequências que enxergamos, pode ser dividida (arbitrariamente) em sub-regiões que associamos as cores.

Fonte: “Esclarecendo o significado de cor em física” por Silva, Revista Física na Escola vol. 8(1), 2007

f

c

CORES: MISTURA ADITIVAS DE CORES

O que acontece quando misturamos luzes de cores diferentes? Vamos obter o chamado sistema cromático aditivo. Esse sistema é formado pela adição das três cores primárias da luz: azul, vermelho e verde (RGB)

https://gerenciamentodecor.wordpress.com/2016/02/20/cores-sistema-aditivo-e-substrativo/

PROJETO: LED RGB

Vamos continuar nossa exploração do Arduíno, usando agora outro tipo de LED: LED RGB. Ele écomposto por três LED de cores diferentes, chamado simplesmente LED RGB. Nele, temos embutido três LEDs de cores vermelho (R), verde (G) e azul (B): a perna maior é o ânodo e as outras são os cátodos.

Para fazermos a conexão desse LED com o arduíno, montamos o circuito abaixo, usando três saídas digitais do arduíno (R,G e B) e o GND (ânodo). Ao lado, a programação.

void setup() { pinMode(3, OUTPUT); pinMode(5, OUTPUT); pinMode(6, OUTPUT);

}

void loop() {analogWrite(3, 255);analogWrite(5, 255);analogWrite(6, 255);

}

PROJETO: BUZZER FAZENDO BARULHO

Vamos agora fazer um pouco de barulho! Nesse projeto iremos usar um dispositivo que produz som. O Buzzer é um transdutor piezoelétrico feito com uma membrana vibratória que ao ser excitada por impulso vibra e produz um tom.

O nosso projeto com o buzzer é mostrado abaixo, juntamente com um exemplo de programação.

void setup() { pinMode(9, OUTPUT);

}

void loop() {digitalWrite(9, HIGH); delay(150); digitalWrite(9, LOW); delay(1000);

}

SONS E MÚSICA

fT

1

Os fenômenos oscilatórios podem ser caracterizados principalmente por sua frequencia (f) ou período (T).

Período (T): tempo de repetição de uma oscilação completa (s)

Frequencia (f): número de oscilações numa unidade de tempo (Hz)

As ondas sonoras são perturbações nas posições das moléculas do ar que vibram para lá e para cá, na direção da onda (longitudinais), produzindo regiões de baixa e alta pressões (vales e cristas). O ser humano é capaz de identificar sons de 20 Hz até 20 kHz

f

vsom

SONS E MÚSICA

A música ocidental é baseada principalmente na chamada escala temperada. Basicamente, um som (tom) de uma dada freqüência (f0) e junto com uma outra, chamada de oitava (2xf0). Dividimos esse intervalo de uma oitava em 12 intervalos chamados semi-tons, de tal forma que cada semitom vizinho é separado pela relação entre as frequencias:

059,12 12/1

1

n

n

f

f

Desta forma podemos criar uma escala temperada da seguinte forma (usando o dócomo tom da escala):

Desta forma, segue-se aproximadamente as distâncias (intervalos) entre notas na escala natural, como os exemplos abaixo:

PROJETO BUZZERFAZENDO MELODIA

Vamos estudar mais alguns recursos da programação do arduíno num projeto para produzir uma pequena melodia. Para isso, usaremos novamente o buzzer, conforme indicado na figura. Veja que a programação, agora um pouco mais longa, tem alguns elementos novos.

int C = 262, D = 294, E = 330, F = 349, G = 392, A = 440, B = 523;

int P = 0;

int i;

int ode[ ] = {

E,E,F,G,G,F,E,D,C,C,D,E,E,D,P,D,P, E,E,F,G,G,F,

E,D,C,C,D,E,D,C,P,C,P, D,D,E,C,D,E,P,F,E,

C,D,E,P,F,E,D,C,D,P, E,E,D,G,G,F,E,D,C,C,D,E,D,C,P,C };

int tempo[ ] = {

1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1.5,1,.5,1,1, 1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1.5,1,.5,1,1,

1,1,1,1,1,1,.5,1,1,1,1,1,.5,1,1.5,1,.5,1,1,1,

1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1.5,.125,1,1 };

void setup() {

pinMode(3,OUTPUT);

}

void loop() {

for (i=0; i<sizeof(ode)/2; i++) {

if (ode[i] != 0) tone(3,ode[i]); else noTone(3);

delay(tempo[i] * 500);

noTone(3);

}

noTone(3);

delay(10000);

}

Variáveis: as variáveis reservam espaço na memória do arduíno para armazenar valores de determinados parâmetros a serem usado na programação do arduíno.

Tipos de dados: as variáveis podem armazenar valores inteiros, fracionários, etc. Para isso, é necessário especificar o tipo de dado que ela irá armazenar. Dependendo do tipo de dado, a variável irá consumir mais ou menos da memória do arduíno.

int: armazena números inteiros de -32.768 a 32.768 (ocupa 2 bytes no arduíno UNO).

long: armazena números inteiros de -2.147.483.648 a 2.147.483.648 (ocupa 2 bytes no arduíno UNO).

float: armazena números fracionários de -3,4028235.10+38 a 3,4028235.10+38 (ocupa 4 bytes no arduíno UNO). Precisão de 6 ou 7 dígitos depois da vírgula.

array: conhecido como vetor unidimensional (vetor) ou multidimensional (matriz).

int vetor [8]; // indica um vetor de 8 posiçõesint matriz [3][3]; // indica matriz de 3 linhas e 3 colunas

PROJETO ALTO FALANTECONHECENDO MAIS RECURSO

Escopo das variáveis: as variáveis podem ser declaradas dentro da função void( ) ou loop( ) – nesse caso serão chamadas de variáveis locais; ou podem ser declaradas antes de void( ), nesse caso será chamada de variável global.

tone(pino, frequencia, duração): função que gera um sinal de onda quadrada com frequencia específica

sizeof(variável): operador que retorna o número de bytes ocupado na memória por uma variável ou array


Estrutura de repetição “for”: faz o bloco de comandos seja repetido conforme a condição e o incremento especificado. Ela possui três parâmetros: a inicialização da variável de controle, uma condição e um incremento.

for(inicialização; condição; incremento)

for (int x = 1; x <= 10; x++)

Exemplos:

Inicializa com x valendo 1

Incremento de 1 unidade na variável x

Repete até o valor de x = 10

for (int x = 2; x <= 100; x+=2)

Inicializa com x valendo 2

Incremento de 2 unidades na variável x

Repete até o valor de x = 100


Estrutura de seleção “if.....else”: realiza um desvio de fluxo de funcionamento do programa, dependendo da condição especificada ser verdadeira ou falsa.

If (condição) {bloco de comando 1

} else {

bloco de comando 2}

Exemplo:

If (a != 10) {// realiza esse bloco de comando se a diferente de 10

else {// realiza esse bloco de comando se a igual 10

}

ENTENDENDO MELHOR O PROJETO BUZZER

Objetivo da Programação: usando FOR e IF/ELSE tocar as notas ode[ ] em seqüência durante os tempos correspondentes tempo[ ]*500 ms, ou seja:

Toca a primeira nota ode[0] = E por tempo[0]*500 = 500 ms; Toca a segunda nota ode[1] = E por tempo[1]* 500 = 500msetc.

IFCondição: ode[ i ] 0Satisfeita: Toca nota ode[ i ] Não satisfeita: faz pausa

FOR:Realiza a tarefa de i = 0 até i = número máximo de notas - 1 (*)

exemplo esquemático:

(*) Cada ode[ ] ocupa 2 bytes de memória, então:Número máximo de notas = sizeof ( ode[] ) / 2

Lembre que P = 0

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