Introdução - Os Microcontroladores e suas Aplicações

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A evolução da tecnologia

Desde os primórdios da sociedade, os homens buscavam maneiras de facilitar e simplificar atividades complicadas e repetitivas; com o conhecimento matemático adquirido com o passar dos anos, e seu grande uso nas atividades comerciais um dos maiores problemas encontrados passou a ser a realização de cálculos mais complexos, o que levou a criação de dispositivos mecânicos para auxílio nesta tarefa, os quais são chamados genericamente de ábaco.

Pode não parcer, mas com a criação destes dispositivos tão simples

nascia um conceito de máquina que muitos anos e séculos depois daria origem a sistemas muito complexos

como os microprocessadores e microcontroladores.

Figura 1.0 - Ábaco

A partir de então essas ferramentas foram sendo aperfeiçoadas continuamente durante séculos, originando diversos dispositivos e ferramentas que auxiliavam em tarefas complexas, principalmente nos cáculos matemáticos.

Figura 1.1 – Calculadora de Pascal

Figura 1.2 – Maquina Diferencial de

Babbage

Os primeiros computadores:

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Figura 2.0 – ENIAC

Com domínio da manipulação da tensão e da corrente elétrica, os dipositivos de cálculo anteriormente mecânicos passaram a ser elétricos, o que facilitava o projeto, a construção e reduzia o tamanho dos sistemas, mesmo assim os primeiros computadores eram gigantescos e ocupavam prédios inteiros devido aos componentes utilizados na época (vávulas). Um bom exemplo era o ENIAC utilizado para realização de cálculos balísticos na década de 40.

Observando todos esses equipamentos, embora eles sejam muito diferentes é possível notar um ponto em comum, todos eles foram projetados com uma finalidade específica e única, caso se quisesse que eles realizassem outra tarefa, todo o projeto teria que ser refeito. Essa era uma característica muito ruim, pois tornava extremamente difícil qualquer alteração ou atualização que fosse necessária.

Figura 2.1 – Fita perfurada

É neste contexto que as idéias e máquinas do Sr. Herman Hollerith, um dos precursores da IBM, começam a ter espaço e se tornam uma solução para o problema apresentado, pois ele havia desenvolvido, já no final do século XIX, um sistema de cartões e fitas perfuradas capazes de informar á maquinas específicas, o que elas deveriam fazer, nasciam os conceitos de programa e de memória, tornando o sistema muito mais versátil, uma vez que era posível com uma mesma máquina a realização de diversas tarefas e cálculos diferentes, unicamente com a mudaça dos cartões ou da fita.

Evolução dos sistemas eletrônicos:

Conforme as tecnologias para produção de componentes eletrônicos avançavam, os computadores eletrônicos tornavam-se cada vez mais compactos e poderosos, já na década de 70 esse avanço chegou a tal ponto que foi possível, a partir da idéia do o Dr. Marcian Hoff, um dos primeiros funcionários da Intel, a criação do primeiro dispositivo eletrônico capaz de ser programado para a realização de diversas tarefas e controles, nascia ali o primeiro microprocessador, componente que revolucionaria a história da eletrônica devido sua versatilidade, rapidez e precisão, podendo controlar qualquer tipo de sistema ou processo.

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Os microcontroladores que são o foco de nosso estudo são frutos de toda essa evolução e hoje com o

barateamento dessa tecnologia e as facilidades de projeto e utilização, eles são empregados em

praticamente todas as áreas com as mais diferentes aplicações e funcionalidades.

Onde é possível encontrar microcontroladores? · Telefonia · Atomóveis · Aviação · Diversão · Eletrodomésticos · Calculadoras · Máquinas · Informática · Sistemas bancários · Segurança · Celulares · Sist. Hospitalares etc..

Microprocessadores e Microcontroladores:

Vimos até agora que microprocessadores e microcontroladores são o fruto de muitos anos de avanço técnico, são utilizados para controlar diversos tipos de sistemas e máquinas, e que a grande vantagem de seu uso é a possibilidade de alteração e atualização rápida e simples, bastando para isso a criação de um novo programa. Mas quais as diferenças entre microprocessadores e microcontroladores, em que casos eles são utilizados? Embora muitos confundam as duas nomenclaturas e as utilizem até como sinônimos, eles são dispositivos com conceitos e funções distintas, pelos seguintes aspéctos:

Microprocessador:

Dispositivo eletrônico destinado a controle de processamento de sistemas grandes e complexos, ele tem como função processar os dados vindos de dispositivos externos (memórias, sistema de I/O, etc) e a partir deles executar tarefas pré-programadas. Dentro do encapsulamento do microprocessador existe apenas uma estrutura a CPU, a qual é composta basicamente pela ULA, pela UC e alguns registradores. • CPU: Unidade Central de Processamento • ULA: Unidade Lógica e Aritmética (responsável pelas operações matemáticas e lógicas)

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• UC: Unidade de controle (responsável pelo controle de fluxo dos dados, pelo gerenciamento e execução dos comandos e atividades)

Microcontrolador:

Os microcontroladores por sua vez têm como alvo o controle autônomo de sistemas, dessa forma geralmente procura-se que eles sejam baratos e pequenos, para atingir esse objetivo, é inserido no mesmo encapsulamento, além da CPU, diversos Periféricos Internos, isso reduz muito o espaço físico na PCI (placa de circuito impresso), barateando o projeto e tornando atualizações e modificações um processo muito mais simples e rápido; hoje dependendo da aplicação é possível se escolher o microcontrolador mais adequado observando a lista de periféricos internos que ele possui. Periféricos Internos: São sub-circuitos presentes na mesma pastilha de silício da CPU, hoje podemos encontrar incorporado aos microcontroladores uma grande lista de periféricos internos:

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Funcionamento básico dos sistemas microcontrolados: Os microcontroladores e microprocessadores embora sejam considerados por muitos como componentes “inteligentes”, não possuem intelecto algum, por si só não são capazes de executar nenhum tipo de tarefa, ficando a cargo do programador informar a esses dispositivos tudo que eles precisam saber para realizarem o trabalho, assim se o programador informou algum dos procedimentos de forma errada o microcontrolador executará a tarefa erroneamente. Por outro lado eles são componentes extremamente rápidos e precisos, então quando ordenarmos que um microcontrolador faça algo, poderemos ter certeza que ele executará exatamente como pedimos e num intevalo de tempo curtíssimo. Outro apecto importantíssimo e que deve ficar bem claro de agora em diante é que os microcontroladores são máquinas “seqüênciais”, ou seja executam as funções uma a uma, de forma seguida e contínua, assim a metodologia para trabalhar e programar microcontroladores deve ser a seguinte:

1º Estudar muito bem a tarefa a ser realizada pelo microcontrolador 2º Dividir a tarefa em partes ou atividades 3º Ordenar corretamente cada uma das atividades 4º Agora sim, podemos informar ao microcontrolador o que fazer

Vamos entender melhor com um exemplo simples:

Vamos pensar em uma tarefa bem simples e apresentar cada um dos passos que devem ser executadas para a realização da mesma.

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Tarefa: Fazer um copo de suco de laranja Materiais necessários: • três laranjas • faca • espremedor • coador • copo • colher • açúcar Sequência de procedimentos: 1º Pegar todos os materiais necessários 2º Utilizar a faca e cortar as três laranjas 3º Utilizar o espredor para retirar o suco das laranjas 4º Utilizar o coador para coar o suco 5º Colocar o suco no copo 5º Acrescentar açúcar a gosto e misturar com a colher 6º Acrescentar gelo a gosto

Com esse simples exemplo foi possível verificar que mesmo as atividades mais simples passam por várias etapas até sua conclusão, e quando estivermos criando nossos programas para os microcontroladores deveremos pensar em todas as etapas da tarefa. Um bom modo para essa análise é a criação de um fluxograma, mas isso discutiremos um pouco mais para frente. Porém existe um detalhe importantíssimo que não levamos em consideração até agora: que idioma ou linguagem usaremos para transmitir as informações da tarefa ao microcontrolador?

Será o português? Inglês? Japonês? Javanês? Esperanto?

Na verdade cada família de microcontroladores possui um idioma próprio chamado genericamente de linguagem Assembly, esta é criada pelo fabricante e conversa diretamente com a máquina. Mas existe um outro detalhe técnico, a linguagem Assembly na verdade é apenas uma representação gráfica, constituída por pequenas palavras chamadas MNEMÔNICOS, que são como “apelidos” para os códigos binários ou hexadecimais, os quais são a única informação que os microcontroladores ou qualquer dispositivo eletrônico realmente entende, aí é que entra um novo personagem o compilador.

• Linguagem Assembly: Conjunto de códigos (mnemônicos) que representam o conjunto de

instruções interpretadas por um microcontrolador

• Mnemônicos: Pequenas palavras, geralmente baseadas no idioma inglês, que representam cada uma da instruções ou códigos da linguagem Assembly

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• Compilador: É um software que pode ser considerado como um tradutor, ele pega os

mnemônicos da linguagem e os transforma nos respectivos códigos de máquina (hexadecimal ou binário)

Após a compilação de nosso programa, o arquivo gerado (binário ou hexadecimal) é gravado dentro do microcontrolador, e sendo assim o mesmo já pode começar a executar os comandos do programa passoa a passo.

Curiosidade: Onde o microcontrolador armazena os passos da tarefa a serem executados? Os microcontroladores possuem uma memória que chamamos de “memória de programa”, ela é do tipo não volátil, ou seja não perde as informações quando a desenergizamos, assim o microcontrolador estará, sempre que for ligado, apto a executar a tarefa desejada!!! Assembly e Assembler são as mesmas coisas? Não, Assembly é a designação da linguagem, já Assembler (montador em inglês) é um sinônimo de compilador, portanto não confunda mais!!!

O que é necessário para trabalharmos com microcontroladores?

Para trabalhar com microcontroladores são necessários as seguintes ferramentas: Editor: Software onde escreveremos o programa Compilador: Software que irá traduzir os mnemônicos da linguagem Assembly para o código de máquinas (hexadecimal ou binário) Software para simulação e teste da lógica do programa Hardware de gravação do microcontrolador ou Kit de desenvolvimento Um pouco de História

A liguagem C foi criada por Dennis Ritchie e Ken Thompson no Laboratório Bell em 1972. C é uma linguagem profissional e é aceita e utilizada na criação de sistemas operacionais, tais como Unix, Windows e Linux. A linguagem de programação C tornou-se rapidamente uma das mais importantes e populares, principalmente por ser muito poderosa, portátil e flexível. Essa flexibilidade tem seus incovenientes de permitir que se criem programas desorganizados e de difícil compreensão. É uma linguagem de

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programação genérica desenvolvida para ser tão eficiente e rápido quanto o assembly e tão estruturada e lógica quanto as linguagens de alto nível (PASCAL, JAVA, etc). C foi desenhada para que usuários possa planejar programas mais estruturados e modulares. O resultado é um programa mais legível e documentado. Os programas em C tendem a ser bastante compactos e de execução rápida.

Escrevendo programas em C para Microcontroladores

Devido a sua qualidade, portabilidade, eficiência e controle , o C, podemos dizer, é a linguagem mais utilizada por programadores de microcontroladores. Atualmente, a maioria dos microcontroladores existentes no mercado contam com compiladores de linguagem C para o desenvolvimento de programas. Quanto estamos tratando de programas para microcontroladores, devemos tomar certos cuidados com relação a escolha da linguagem de programação e do compilador a ser utilizada , pois a capacidade de memória de armazenamento do programa é extremamente reduzida, comparando com PC.

Programa escrito em linguagem C

Sabemos que hoje temos computadores portáteis com capacidades de centenas de gigabytes de memória, nesses aspectos o "tamanho" do código não é tão importante para o programador. Agora, quando estamos falando de microcontroladores devemos tomar certas preocausões, pois microcontroladores como: PIC12C508 e PIC16C54 possuem apenas 512byte de memória de programa e 25 byte de RAM, fato que exige do programador otimização do código e eficiência na elaboração lógico do programa.

O papel do Compilador A única maneira de se comunicar com o microcontrolador é através da linguagem de máquina, ou melhor dizendo, através de códigos de máquinas. Portanto os programas em BASIC devem necessariamente serem interpretados e compilados a fim de gerar como resultado os comandos de máquinas a serem gravados na memória de programa do microcontrolador. Existem no mercado diversos compiladores de programas em C para microcontroladores no geral, tais como: mikroC, C18, CCSC, HITEC, SDCC, etc. Em nosso curso iremos utilizar a IDE MikroC desenvolvido pela empresa Mikroelektronika (www.mikroe.com), que permite editar, compilar e simular programas em C para microcontroladores PIC da família 12, 16 e 18 Microchip.

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Encontramos também versões mikroC para família PIC24, dsPIC30 e dsPIC33, mas não iremos abordar em nosso curso. O mikroC:

Figura 3.1 - IDE mikroC - Editor, compilador, simulador e debugador para PIC em BASIC

Iremos utilizar o mikroC devido a sua eficiência e flexibilidade. Além disso, este compilador possui uma extensa biblioteca de funções prontas para controle de diversas periféricos conectados ao nosso microcontrolador PIC. Aos escrevermos e compilarmos um programa em nosso compilador, caso o programa não tenha erros de sintaxe, ou algum outro erro cometido pelo programador, teremos como resultado a criação do arquivo de máquina hexadecimal (extensão .hex). Este arquivo .hex é conhecido como código de máquina, e será este o arquivo a ser gravado na memória do microcontrolador.

Etapas de desenvolvimento e gravação de um programa em C no microcontrolador PIC Descreveremos abaixo as etapas passo a passo para editar, compilar, simular e gravar um programa no microcontrolador PIC. 1º Fase: A elaboração do Fluxograma. Estude as tarefas e funções que o microcontrolador PIC deverá executar. Para melhor entendimento das funções lógicas a ser executadas faça um fluxograma.

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Figura 3.2 – Elaboração de um Fluxogramas do programa

2º Fase: Edição e compilação do programa em C.

A partir das informações e funções elaborada no fluxograma, escreva seu programa em linguagem C na IDE mikroC, compile e simule seu programa (estudaremos mais adiante detalhes das função e ferramenta do mikroC).

Figura 3.3 – Edição e Compilação do programa no mikroC.

3º Fase: O programa compilado

Após a compilação do seu programa em C, o compilador criará o arquivo de máquina .hex (nomedoprojeto.hex). Este é o arquivo que deverá ser gravado no microcontrolador PIC.

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Figura 3.4 – Arquivo Hexadecimal

4º Fase: Gravação do programa no PIC

Gravar o arquivo compilado .hex no microcontrolador através de um gravador de microcontroladores PIC, ou através de um Kit de desenvolvimento.

Estudaremos com mais detalhes nas unidades seguintes do nosso curso os processos de edição, compilação e gravação de programas. Durante nosso curso estudaremos basicamente 4 assuntos: • O microcontrolador PIC - PIC18F4xxx2. • A IDE mikroC - editor, compilador e simulador para PIC 12, 16 e 18 em linguagem C. • Estudo da Linguagem BASIC para programação de microcontroladores PIC • Projetos e aplicações práticas com os periféricos interno do PIC18F4xxx2 Descreveremos agora algumas dos exemplos de programas e aplicações práticas que serão estudados em nosso curso: Kit PICgenios – Módulo Profissional:

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Figura 3.5 – Kit PICgenios (www. MicroGenios.com.br)

Através deste Kit podemos desenvolver os mais variados tipos de programas, tais como: • Controle de displays LCD alfanumérico 16X2 (16 colunas por 2 linhas ) no modo 4 e 8 bits. Os displays LCD são utilizados nas grandes maioria dos projetos eletrônicos hoje em dia. • 4 displays de 7 segmentos acionados por varredura. • Matriz de teclado com 12 teclas. • 7 teclas de acesso direto ao pino, sendo que 3 teclas dessas simulam a interrupções externa INT0, INT1 e INT2 do PIC. • 16 leds para controle lógico visual. • 2 relés NA/NF para acionamento de cargas externas de 10A / 220V. • RTC - relógio de tempo real com bateria. Através desse relógio o programador poderá programar temporizadores, acionamentos programados, calendários, entre outras aplicações. • Canal Serial RS232: canal para comunicação serial com PC ou outras máquinas • Canal Serial RS232 Emulada: o programador pode emular uma serial via software e então trabalhar com duas seriais RS232 no seu projeto. • Canal USB 2.0 para implementações em projetos que necessitem comunicação USB (necessário usar PIC18F4550) • Canal PS/2: permite ligar ao microcontrolador teclado de PC ou mouse para otimizar o projeto eletrônico. • Aquecedor via PWM. O aluno poderá controlar o canal PWM do PIC simulando na placa. • Sensor de temperatura LM35: o aluno poderá realizar ensaios práticos com este sensor de temperatura. • Acionamento de Buzzer. Em alguns projetos é indispensável a utilização de um alarme sonoro. • Acesso a todas as portas de expansão do microcontrolador PIC, que nos permite ligar outros dispositivos externos ao Kit. • Ventoinha acionada por PWM. É importante pois o aluno poderá controlar por PWM a velocidade de giro da ventoinha. • Contadores de Pulsos. Através desse circuito poderemos saber a velocidade de giro da ventoinha. (contador RPM).

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• Memória serial E2PROM via I2C. Este tipo de memória são muito utilizada em diversos equipamento e máquinas. • 2 trimpots para simulação e programação do canal A/D do PIC (Analógico 1 , e Analógico • • Canal de comunicação RS485: Protocolo muito utilizado em redes industriais. • Chave Load/Run para gravação ISP (gravação no próprio circuito). • Microcontrolador PI18F4520 DIP • Suporta outro microcontrolador PIC16F876/873 de 28 pinos • Suporta LCD gráfico 128 x 64 com controlador KS108. • Canal de gravação ICSP: Conector para modo debuger e ICD2. • Regulador de tensão. • Chaves Dip seletora de funções.

Sei que você deve estar pensando, nossa quanto dispositivo conectado ao microcontrolador. É verdade, mas esses microcontroladores podem realizar muitas outras funções... em outras palavras, esse PIC é 10! Durante nosso treinamento iremos realizar diversas experiências práticas utilizando os recursos da linguagem C junto com as funções da IDE mikroC. Aulas de laboratório e experiências práticas Controle de display LCD

Iremos no decorer das unidades programar o PIC para controlar e escrever mensagens publicitária nos display LCD 16X2 alfanumérico:

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Figura 3.6 – Aplicações com display LCD

Os displays LCD são amplamente utilizados em diversos equipamentos e aparelhos. No decorrer dos estudos iremos explorar as funções do mikroC em linguagem C para controle de displays LCD. Estudaremos passo a passo como escrever mensagens de textos nos modos 4 e 8 bits.

Projetos com displays LCD:

Equipamentos

industriais

Equipamentos

domésticos

Equipamentos de Informática

CLPs e

controladores industriais

Equipamentos

portáteis

Varredura de displays de 7 segmentos

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Os diplays de 7 segmentos são largamente utilizados em equipamentos como: balança, painéis de máquinas industriais, equipamentos médicos, eletrodomésticos entre outros. Podemos controlar os displays de 7 segmentos através de conversores BCD, como por exemplo o 74HC247 (decodificador BCD) ou desenvolver códigos BCD pelo microcontrolar. Em nosso caso, os displays estão sendo acionados por varredura.

Para acionar os displays de 7 segmentos, iremos utilizar o sistema de varredura, que permite através de um barramento de dados de 8 bits e mais 4 pinos de acionamento, "escrever" o valor correspondente ao dado que deve ser mostrado no visor. Porjetos com displays de 7 segmentos:

Panéis de equipamentos industriais

Balanças

Varredura de Teclado matriciais

O sistema de varredura de teclado matricial permite que o microcontrolador leia muitas teclas ligada ao seus pinos. O teclado matricial é muito utilizado para economizar pinos físicos do microcontrolador. Equipamentos de diversos tipos usam o teclado matricial para inserir dados ao microcontrolador.

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Figura 3.7 – Teclado Matricial

Projetos com teclados matriciais:

Equipamentos Eletrodomésticos

Aparelhos de som

CLPs

Acionamento de Leds

Os leds são utilizados praticamente em quase todas as aplicações eletrônicas. Através dos leds podemos visualizar o status de uma máquina, "desenhar" mensagens de textos, iluminar objetos, criar animações visuais, entre outras aplicações. Iremos estudar os recursos de programação em C para controle das portas de saída disponíveis no microcontroladores PIC utilizando os leds como barramento de dados visual. Aplicações reais com Leds Os leds são utilizados em diversos equipamento no mercado para as mais variadas aplicações. Muitas das aplicações é o microcontrolador responsável pelo controle desses leds.

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letreiros com leds

Letreiros

Controle de Iluminação de painéis

Canal de comunicação serial RS232

É de grande importância que os equipamentos eletrônicos tenham um canal de comunicação com o meio externo. Através de um canal de comunicação é possível monitorar o estado do equipamento assim como enviar e receber informações em tempo real. Iremos aprender a utilizar o canal de comunicação serial do microcontrolador PIC realizando comunicações de envio e recepção de dados com o PC.

Aplicações reais com Comunicação Serial RS232

• Supervisórios Industriais • Comunicação com computadores PC • Comunicação com outras máquinas

Conversor Analógico digital (A/D)

A aplicação básica do microcontrolador PIC trabalhando com o conversor A/D abaixo é simples, mas possui um grande conteúdo educativo para nós neste momento. No exemplo abaixo utilizamos dois simples trimpots para variarmos o valor de tensão no pino A/D do PIC. Este exemplo na verdade representa inumeras aplicações práticas de equipamentos do mercado, tais como: aparelhos de medição, leitores de sensores de temperatura, atuadores, entre outros. Criaremos programas para controle e leitores de tensão nas unidades seguintes.

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Figura 3.8 – Conversores A/D

Veremos também como ler e interpretar valores analógicos vindo de sensores de temperatua (LM35) utilizando os recurso da linguagem BASIC.

Projetos com os conversores A/D do PIC

Sensores de proximidade

Sondas e termopares

equipamentos de medição

Controle PWM de dispositivos

Iremos simular programas de controle de largura de pulsos. Através do canal PWM disponível no PIC, podemos controlar diversos equipamentos, tais como: inversores de frequência, estabilizadores, fonte chaveada, controle de velocidade de motores DC, entre outras. Nem nossos laboratório, iremos controlar a velocidade de giro de uma ventoinha e controlar o aquecimento de uma carga resistiva via PWM.

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Figura 3.9 – Acionamento PWM

Projetos com os PWM do PIC

Fontes chaveadas

Drive de Motores

inversores de frequência

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