Arduino Hack Day - Samuel Cavalcanteblog.samuelcavalcante.com/arduino/Arduino_Hack_Day_MS.pdf ·...
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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…
• Javaneiros Edition
• Organizado pelo Jeff - empresa Jera
• Agradecimentos ao apoio da faculdade e prof. Bob
Agenda Padrão
• Introdução a Arduino
• Controlando tomadas pela Internet
• Controle de motores com Arduino
• Introdução a robótica
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;
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
Conector USB
Alimentação externa: Até 12 volts
Regular 7085: Recebe até 12 volts e regula para 5 volts
FT232RL Conversor USB-Serial
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
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:
Porta Digital Vs. Analógica
• Digital: trabalha com 0 e 1 na lógica binária.
– Digital do Arduino segue padrão TTL onde:
• 0 a 0,8 volts = 0
• 2 a 5 volts = 1
• Analógica: valor lido é análogo a tensão.
– Referência de analogia é 5 volts
• 0 volts = 0
• 2.5 volts= 512
• 5 volts = 1023
– Conversor A/D de 10 bits: 0 a 1023
Porta Digital Vs. Analógica
• Portas analógicas expressam valores de 0 a 1023 mas não são utilizadas para transferência de informações precisas
• As portas digitais permitem que dados sejam tranferidos em sequencia através de uma lógica ou protocolo binário
• Portas digitais não conseguem comandar potência
Porta PWM
• Uma porta híbrida: digital porém com modularização de zeros e uns de forma que consegue expressar uma idéia de potência;
Na prática
• Ligamos componentes em portas digitais comuns, pwm ou analógica
• Fazemos leitura e escrita nestas portas afim de obter um dado ou um determinado comportamento
• Processamos os dados no microcontrolador
• Alguns exemplos de componentes...
Lojas de componentes
www.parallax.com
www.sparkfun.com
• www.makershed.com
• www.liquidware.com
• www.ladyada.net
• www.adafruit.com
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” 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 “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 “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);
}
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 Digital 1 Led
L3 Digital 2 Led
L4 Digital 3 Led
L5 Digital 4 Led
L6 Digital 5 Led
L7 Digital 8 Led
L8 Digital 6 Led
L9 Digital 13 Led
C1 Analógica 5 LDR
Mapa de portas Vs. componentes
Código Porta Componente
Q2 Digital 7 Led
Q3 Digital 6 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
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);
}
Lab 2 “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);
}
Lab 3: desafio - luz ambiente e leds
Os leds de 1 a 9 Program-Me estão ligados nas portas
14,1,2,3,4,5,8,6,13.
Crie um programa que quanto menor a luz do ambiente
mais leds ele acende e apaga em sequencia.
Resumindo...
• Arduino é um projeto simples, popular e acessível
• Eletrônica e programação embarcada alto nível
• Na prática ligamos componentes nas portas analógicas e digitais e escrevemos programas que usam as portas
• Existem diversas bibliotecas que encapsulam a lógica de comunicação digital ou analógica: servo, motor de passo, Android, display LCD
• Ter portas digitais analógicas e pmw é um grande valor do microcontrolador utilizado
• A transfêrencia via USB e a ferramenta / IDE para programação funcionam em múltiplas plataformas
• Open-source Hardware e Open-source software
Ligando uma tomada no Arduino, como?
• Qualquer mínimo contato de um fio 110 no Arduino seria capaz de um show pirotécnico
• Isso acontece porque as portas digitais do Arduino funcionam com 5v de conta continua e tomadas 110 e 220 trabalham com corrente alternada
• Mas porque tomadas (e a energia de uma residencia) trabalha com corrente alternada e não contina?
– A transmissão da energia com corrente continua para longa distancias é inviável!
Relé como ponte entre Arduino e AC
• O meio de conexão entre seu Arduino e uma tomada pode ser um relé
• Um relé é um interruptor eletromagnético que quando conduzimos corrente o interruptor fecha um determinado contato
• Esses contatos podem estar normalmente abertos (desconectados) ou normalmente fechados (conectados)
• Siglas NO NC em ingles ou NA NF em portugues
Mas... Como ligar um relé no Arduino?
• O Arduino (le-se Atmega) é um controlador de baixo consumo
• Suas portas digitais não fornecem mais de 40ma de corrente
• Para acionar o mecanismo eletromagnético da bobina do relé é necessário mais de 40ma de corrente
• Por este motivo precisamos ligar um transistor entre o Arduino e o relé
• Para ligar um Arduino no relé precisamos de um transistor, a menos que o relé seja muito pequeno
E é só isso?
• Um fenômeno físico acontece em todo mecanismo eletromagnético quando é desenergizado
• É conhecido como tensão reversa
• Assim que tiramos a energia de um algo eletromagnético recebemos de volta um “choque”
• Com Arduino ligado em transistor que aciona o relé, o choque seria recebido pelo transistor
• Isso poderia ser fatal para o transistor!
• Usamos um diodo (componente que só deixa a corrente passar em um sentido) para proteger o transistor
• O diodo deve ser colocado em paralelo com o mecanismo
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
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 solicitação 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); } }
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?
• Com base nos slides, conecte a placa tomada no Program-ME e escreva um programa para chavear o relé
• Ao finalizar crie uma lógica com sensor de luz e relé
• Opcional: criar um programa Web usando RXTX
Tipos de motores
• Podemos qualificar motores em:
– Velocidade de rotação / RPM
– Força
– Precisão
• Redutores são utilizados para transformar rotação em força
• 3 principais tipos motores:
– Motor DC / CC: velocidade
– Servo-motor: precisão (e força!)
– Motor de passo: precisão e força (+ difícil)
Motor DC
• Motor simples para comandar que pode ter alta velocidade ou torque (conforme redução)
• Não tem precisão angular
• Podemos controlar a potência com PWM
• Assim como relé precisamos ligar em um transistor com diodo de proteção
• Para inverter a direção da rotação temos que inverter a polaridade
• DEMO: motor na bateria e direção
Motor DC no Program-ME
• Podemos usar o transistor Q3 (porta digital PWM 6)
• Ligamos o + no 12v e o – no borne do transistor
Exemplo de código
#define Q3 6
void setup() {}
void loop() {
for(int x=0;x<255;x++) {
analogWrite(Q3, x);
delay(20);
}
for(int x=255;x>0;x--) {
analogWrite(Q3, x);
delay(20);
}
}
Vamos praticar?
• Com base nos exemplos fornecidos e modelo de conexão, utilize o motor DC disponível com a placa controladora fornecida
• Nunca faça conexões com a placa ligada!
• Revise o circuito!!
Servo
• Motor com precisão angular
• Fácil comando
• É um motor + redução + driver!
• Por padrão virar apenas de 0 a 180 graus
• Podemos hackear ou comprar servos full-rotation
• Conexão super simples: GND 5v sinal digital
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.
Servo + LDR com Program-ME
#include <Servo.h>
Servo myservo;
void setup()
{
myservo.attach(10);
}
void loop()
{
int val = map(analogRead(5),0,1023,0,179);
myservo.write(val);
delay(15);
}
Vamos praticar?
• Ligar o servo na entada servo-1, o marrom (GND), deve estar para o lado do USB
• Digitar o código apresentado anteriormente
A palavra robô vem de robot que foi utilizada em uma peça de teatro de 1920, chamada R.U.R. (Rossum's Universal Robots), do tcheco Karel Capek. Aparentemente a palavra descende de ROBOTA, que em checo significa trabalho servil ou trabalho pesado.
Uma definição mais realista de robô, seria que ele é um manipulador reprogramável e multi-funcional projetado para mover materiais, partes, ferramentas ou dispositivos especializados através de movimentos variáveis programados para desempenhar uma variedade de tarefas.
Podemos fazer um paralelo entre os robôs e os seres humanos baseados em 3 aspectos distintos:
• Sentidos
• Pensamentos
• Ações
Nos seres humanos, iniciando pelos seus sentidos, temos um caminho que passa pelo tratamento do pensamento e termina ou resulta em ações.
Podemos usar essa mesma linha de análise para os robôs, porém, substituindo a nomenclatura por outra mais adequada:
• Sentidos - > Sensores
• Pensamentos - > Processamento
• Ações - > Atuadores
Dessa forma, um robô aciona seus atuadores, baseado em seu processamento que teve como entrada os dados vindos de seus sensores.
Todos os robôs têm em comum a realização de algum tipo de movimento sendo que também podemos distinguir os robôs pela sua capacidade de processamento, sendo assim poderíamos classificar os robôs como:
Robô “inteligente” pode se mover de forma autônoma e segura por um ambiente não preparado e atingir um objetivo ou efetivar uma tarefa.
Robô não “inteligente” deve repetir de forma confiável a mesma tarefa para que foi programado, porém sem enfrentar variações no ambiente ou situações. Nesse caso, a definição fica mais próxima de automação e pode distinguir entre um robô e uma máquina de lavar.
De uma forma geral temos os seguintes tipos de robôs:
• Manipuladores ou braços robóticos;
• Robôs móveis com rodas;
• Robôs móveis com pernas;
• Humanóides
Manipuladores ou braço robótico • Atualmente, a maior aplicação de
robôs é na área industrial, principalmente na produção de bens de consumo.
• Nessa área, o tipo mais popularmente conhecido de robô é o braço robótico:
Madeira
Compensado / MDF: talvez o material mais fácil de trabalhar e muito acessível. É isolante, o que diminui a preocupação com a montagem. Pode ser colada e furada com facilidade. O inconveniente é a sua relação peso / resistência.
Duratex: muito fácil de ser trabalhado, pode ser usado em alguns casos, porém, é muito flexível para ser usado como chassi de robôs maiores.
Como controlar dois motores?
• Utilizando um circuito integrado auxiliar podemos controlar 2 motores
• O circuito proposto permite o controle de dois motores
• O circuito permite a inversão de polaridade, que no caso de motor DC, nos permite avançar e retroceder
• A solução pode ser feita com transistores em ponte H
• Podemos usar um circuito de ponte H pronto
Definindo portas
#define MOTOR1_P 12
#define MOTOR1_N 11
#define MOTOR1_PWM 5
#define MOTOR2_P 8
#define MOTOR2_N 7
#define MOTOR2_PWM 6
Comando para avançar ou retroceder
void andarFrente(int tempo, int intensidade) {
sentido = 0;
analogWrite(MOTOR1_PWM,intensidade*50);
analogWrite(MOTOR2_PWM,intensidade*50);
digitalWrite(MOTOR1_P,sentido);
digitalWrite(MOTOR1_N,!sentido);
digitalWrite(MOTOR2_P,sentido);
digitalWrite(MOTOR2_N,!sentido);
delay(tempo);
}