UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEAtiagodemelo.info/monografias/2010/tcc-pablo-vargas.pdf · V297s VARGAS, Pablo Nunes SIMULANDO O TECLADO MUSICAL COM O MICROCONTROLADOR 8051

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS - UEA

ESCOLA SUPERIOR DE TECNOLOGIA

ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO

PABLO NUNES VARGAS

SIMULANDO O TECLADO MUSICAL COM O

MICROCONTROLADOR 8051 NO PROTEUS

Manaus

2010

PABLO NUNES VARGAS

SIMULANDO O TECLADO MUSICAL COM O MICROCONTROLADOR

8051 NO PROTEUS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

à banca avaliadora do Curso de Engenharia

de Computação, da Escola Superior de

Tecnologia, da Universidade do Estado do

Amazonas, como pré-requisito para obtenção

do t́ıtulo de Engenheiro de Computação.

Orientador: Prof. M. Sc. Luiz Wanderley Nagata Balduino

Manaus

2010

ii

Universidade do Estado do Amazonas - UEA

Escola Superior de Tecnologia - EST

Reitor:

José Aldemir de Oliveira

Vice-Reitor:

Marly Guimarães Fernandes Costa

Diretor da Escola Superior de Tecnologia:

Mário Augusto Bessa de Figueirêdo

Coordenador do Curso de Engenharia de Computação:

Antenor Ferreira Filho

Coordenador da Disciplina Projeto Final:

Áurea Hiléia da Silva Melo

Banca Avaliadora composta por: Data da Defesa: 07/12/2010.

Prof. M.Sc. Luiz Wanderley Nagata Balduino (Orientador)

Prof. M.Sc. Ricardo da Silva Barboza

Prof. Esp. Salvador Ramos Bernardino da Silva

CIP - Catalogação na Publicação

V297s VARGAS, Pablo Nunes

SIMULANDO O TECLADO MUSICAL COM O MICROCONTROLADOR 8051NO PROTEUS / Pablo Nunes Vargas; [orientado por] Prof. MSc. Luiz WanderleyNagata Balduino - Manaus: UEA, 2010.

68 p.: il.; 30cmInclui Bibliografia

Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Computação).Universidade do Estado do Amazonas, 2010.

1. Simulando o teclado musical com o microcontrolador 8051 no Proteus. 2.VARGAS, Pablo Nunes. 3. BALDUINO, Luiz Wanderley Nagata (orientador). 4.Teclado musical. 5. microcontrolador. 6. projetar.

CDU: (1997) 004

iii

PABLO NUNES VARGAS

SIMULANDO O TECLADO MUSICAL COM O MICROCONTROLADOR

8051 NO PROTEUS

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado

à banca avaliadora do Curso de Engenharia

de Computação, da Escola Superior de

Tecnologia, da Universidade do Estado do

Amazonas, como pré-requisito para obtenção

do t́ıtulo de Engenheiro de Computação.

Aprovado em: 07/12/2010BANCA EXAMINADORA

Prof. Luiz Wanderley Nagata Balduino, Mestre

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO AMAZONAS

Prof. Ricardo da Silva Barboza, Mestre


Prof. Salvador Ramos Bernardino da Silva, Especialista


iv

Agradecimentos

Agradeço primeiramente aos meus pais pela

oportunidade de estudar em outra cidade.

Sem esquecer de todas as pessoas que aju-

daram no meu processo de graduação.

v

Resumo

O entretenimento é uma atividade do cotidiano da sociedade, tanto para interagir

com outras pessoas ou sozinho. Com a música é possivel realizar diversas atividades,

assim como, ouvir, cantar, tocar e dançar. Os instrumentos musicais são responsáveis

por ajudar a compor uma canção. Um desses instrumentos é o teclado musical, em

que o instrumentista utiliza uma combinação de notas musicais para criar uma melodia.

Por ser um instrumento musical de diversos recursos, o teclado musical é composto de

componentes eletrônicos. Entre os diversos componentes eletrônicos um dos principais

é o microcontrolador, sendo responsável por controlar as funções básicas do teclado. O

presente trabalho tem como objetivo projetar um instrumento baseado na funcionalidade

do teclado. Quando o usuário pressionar uma tecla será estabelecida uma onda pelo

microcontrolador, no qual a frequência dessa onda é correspondente à frequência da nota

musical apresentada no visor do display.

Palavras Chaves: Teclado musical, microcontrolador, projetar e display.

vi

Abstract

The entertainment is an activity of everyday the society, both to interact with others

people or alone. With the music it’s possible to do several activities, just like, listen,

sing, play and dance. The musical instruments are responsible for helping to compose a

song. One of these instrument is the musical keyboard, in which the performer uses a

combination of musical notes to create a melody. Being a musical instrument of diverse

resources, musical keyboard is composed of some electronic components. Amongst the

various electronic components one of main is the microcontroller, being responsible for

controlling the basic functions of the keyboard. The present monograph have like objective

projecting an instrument based on the functionality of the keyboard. When the user press

a one button will be established a wave by the microcontroller, in which the frequency

of that wave is corresponding to the frequency of musical note presented in the display

window.

Key-words: Musical keyboard, microcontroller, project and display.

vii

Sumário

Lista de Figuras ix

1 INTRODUÇÃO 1

1.1 Apresentação do tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Justificativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Delimitação do tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4.1 Objetivos espećıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.5 Metodologia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.6 Visão geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 FUNDAMENTAÇÃO CONCEITUAL 5

2.1 Oscilação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.1 Ondas sonoras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Conceitos fundamentais de Eletrônica digital . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.1 Grandeza digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.2 Nı́veis lógicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.3 Formas de ondas digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Apresentando os dispositivos eletrônicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.1 O microcontrolador 8051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3.2 Display de cristal ĺıquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.3 Outros dispositivos utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4 Ferramentas utilizadas no Projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.1 Apresentando o compilador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.4.2 A ferramenta Proteus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3 METODOLOGIA 27

3.1 Determinando o ńıvel lógico de acionamento das teclas . . . . . . . . . . . 27

viii

3.1.1 Programando para determinar a tecla pressionada . . . . . . . . . . 30

3.2 Configurando o display LM016L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.2.1 Programando o display para receber comandos e escrita pelo micro-

controlador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3 Gerando ondas no microcontrolador 8051 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

4 RESULTADOS 35

4.1 Interconexão do microcontrolador com os demais dispositivos . . . . . . . . 35

4.2 Resultado das notas musicais no display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.3 Resultado da onda gerada pelo microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3.1 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Dó . . . 37

4.3.2 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Ré . . . 39

4.3.3 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Mi . . . 39

4.3.4 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Fá . . . 40

4.3.5 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Sol . . . 41

4.3.6 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Lá . . . 41

4.3.7 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Si . . . . 43

4.4 Custos dos dispositivos e análise provável do projeto implementado . . . . 43

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS 45

Referências Bibliográficas 47

ix

Lista de Figuras

2.1 Faixa dos ńıveis lógicos. Fonte: [Esquemas.org.2010]. . . . . . . . . . . . . 8

2.2 Pulsos ideais. Fonte: [Floyd.2007]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.3 Pulso não ideal. Fonte: [Floyd.2007]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.4 Arquitetura interna do microcontrolador 8051 representada por meio de di-

agrama em blocos. Fonte: Manual Philips [Philips.2000]. . . . . . . . . . . 11

2.5 Organização das regiões e blocos da memória acesśıveis no microcontrolador

8051. Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada. . . . . . . . . . . . . . 13

2.6 Organização da Região DATA. Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada. 14

2.7 Encapsulamento do microcontrolador 8051. Fonte: Manual Philips

[Philips.2000]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.8 Capacitores e Cristal interligados para gerar o clock de maquina. Fonte:

[Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.9 Arquitetura do display LM016L. Fonte: Manual LM016L [Hitachi.1998]. . . 17

2.10 Representação em blocos da memória RAM e Registradores do display. . . 18

2.11 Detalhe do controle de contraste do display LCD. Fonte: Apostila LCD

[Barbaceda and Fleury.2010]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.12 Switch de 1 entrada e 7 sáıdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.13 Ativação do dispositivo de som . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.14 Os processos de compilação de um programa em C ou Assembly . . . . . . 23

2.15 Os processos de compilação do programa e as ferramentas utilizadas . . . . 24

2.16 O compilador 8051 gerando os arquivos de simulação e emulação. . . . . . 25

2.17 Ambiente da ferramenta ISIS 7 profissional Proteus . . . . . . . . . . . . . 26

3.1 Determinando ńıvel lógico nas portas do microcontrolador . . . . . . . . . 28

3.2 Mudança de Nı́vel lógico no “pino P1.3” determinado pelo ground . . . . . 29

3.3 Estrutura do controlador de decisão e controlador de loop . . . . . . . . . . 30

3.4 Interconexão entre o microcontrolador 8051 e o display LM016L . . . . . . 31

x

3.5 Função de rotina para enviar comandos ao display LCD . . . . . . . . . . . 31

3.6 Função para inicializar o display LCD com alguns comandos . . . . . . . . 32

3.7 Função para escrever no display LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.8 Programação para escrever no display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.9 Método utilizado para gerar oscilação em uma onda . . . . . . . . . . . . . 34

4.1 Interconexão entre o microcontrolador e os demais dispositivos . . . . . . . 36

4.2 Resultado do display quando nenhuma tecla pressionada . . . . . . . . . . 37

4.3 Resultado do display quando pressionada a tecla 1 do switch . . . . . . . . 37

4.4 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Dó . . . . . . . . . 38

4.5 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Ré . . . . . . . . . . 39

4.6 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Mi . . . . . . . . . . 40

4.7 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Fá . . . . . . . . . . 41

4.8 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Sol . . . . . . . . . 42

4.9 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Lá . . . . . . . . . . 42

4.10 Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Si . . . . . . . . . . 43

Caṕıtulo 1

INTRODUÇÃO

1.1 Apresentação do tema

Ao longo da história da humanidade a música está presente e influente nas sociedades.

Antigamente, para produzir uma música, as pessoas utilizavam pedaços de tronco de árvore

oco, cobertos nas bordas com a pele de algum animal. Esse instrumento é chamado de

tambor, sendo presente em diversas atividades festivas e religiosas das civilizações. Com

o passar do tempo foram criados outros tipos de instrumentos musicais com uma enorme

variação de modelos diferentes. Um desses instrumentos musicais é o teclado que surgiu na

década de 60 e foi um dos primeiros constrúıdo com algum dispositivo eletrônico, porém

era muito caro e pouco comercializado.

Atualmente, com a queda de preço dos dispositivos eletrônicos utilizados na fabricação

dos teclados, tornaram-se mais comercializados possuindo diversos recursos para o instru-

mentista. O número de pessoas que utilizam o teclado musical aumentou e muitos passaram

a ingressar no meio da música para gerar uma renda complementar ou até mesmo como

única renda familiar. Outra questão importante é no aumento da coordenação motora e no

racioćınio de crianças que aprendem a tocar teclado desde pequenas, devido à infinidade de

recursos posśıveis em um teclado musical. Além disso pessoas com deficiência visual podem

através desse instrumento torna-se independente e ajudar no processo de socialização, que

é o caso de muitos instrumentistas cegos como o Ray Charles.

Justi�cativa 2

Os principais recursos do teclado são os visores, os quais facilitam bastante o seu manu-

seio com o feedback necessário para auxiliar uma criança no aprendizado fornecendo uma

informação precisa da nota que esta sendo pressionada. Além disso alguns teclados pos-

suem uma gama enorme de sons e efeitos tornando um atrativo a mais para crianças. Por

essa variedade de recursos o teclado musical é um dos instrumentos mais importantes e

utilizados para composição de uma música.

O presente trabalho tem como objetivo projetar uma forma de gerar ondas em um

determinado peŕıodo correspondendo às frequências das notas musicais e analisar as ondas

geradas. O projeto funciona da seguinte forma: quando for pressionada uma tecla, é

gerada uma onda durante um determinado peŕıodo, onde é estabelecida uma frequência

de acordo com a da nota apresentada no visor. O funcionamento assemelha-se ao de um

teclado musical. Assim como os teclados musicais outros instrumentos musicais eletrônicos

são controlados por microcontroladores. O microcontrolador é o responsável por gerar a

onda em uma determinada frequência. O visor é representado por um display de LCD que

também é controlado pelo microcontrolador e o teclado é representado por um switch.

Neste trabalho foi utilizado o microcontrolador 8051 devido a versatilidade dada ao

projetista. O compilador utilizado é o SDCC, que pode ser utilizado para programação em

linguagem C de microcontroladores que funcionam com palavras de 8 bits. Esse compilador

foi utilizado associado ao compilador do microcontrolador 8051 onde neste compilador já

fornece ao programador os arquivos para simulação e emulação. A linguagem utilizada

para criar o programa foi a linguagem C, devido a sua facilidade de programação com

microcontroladores. O display utilizado neste trabalho foi o LM016L.

1.2 Justificativa

Toda atividade nova praticada pelo ser humano estimula o trabalho do cérebro e ajuda

no desenvolvimento da capacidade de racioćınio. Aprender a tocar instrumentos musicais

são exemplos de práticas que contribuem para a saúde mental e coordenação motora. Essas

atividades são muito mais importantes em crianças, elas aprendem a tocar um instrumento

e melhoram o desempenho nas disciplinas escolares.

Uma outra contribuição do aprendizado de instrumentos músicais, refere-se às pessoas

Delimitação do tema 3

com deficiência visual, ajudando de maneira direta e indireta a inserir essas pessoas na

sociedade, muitas vezes até mesmo na independência financeira do indiv́ıduo.

Para composição de uma música diversos instrumentos podem ser utilizados e um desses

instrumentos é o teclado, com seu funcionamento muito semelhante ao piano, que basica-

mente emite sons de notas ao apertar uma tecla. A respeito dos problemas apresentados

anteriormente, o presente trabalho tem como objetivo mostrar, com propósito de simulação,

através da ferramenta Proteus um instrumento musical com funcionalidade semelhante à

de um teclado musical para que futuramente possa ser implementado em uma placa de

hardware.

1.3 Delimitação do tema

Esse trabalho tem atenção principal em projetar uma forma de gerar frequências, que

estão de acordo com as frequências das notas musicais, através de programação no mi-

crocontrolador. Um recurso deste projeto é o display, no qual apresenta no visor a nota

musical quando o usuário pressionar uma tecla. Essas teclas são representadas por um

switch.

1.4 Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo projetar através da ferramenta de simulação

Proteus uma forma de gerar ondas sonoras durante um determinado peŕıodo, onde as

frequências dessas ondas deverão corresponder a frequência das notas musicais.

1.4.1 Objetivos espećıficos

a) Projetar através da ferramenta Proteus um esquemático do teclado musical com um

microcontrolador, acoplado com um switch, display de LCD e um dispositivo de som, sendo

capaz de emitir ondas sonoras com frequências correspondentes às notas musicais (Dó, Ré,

Mi, Fá, Sol, Lá e Si) e mostrar para o usuário através do display a nota musical.

Metodologia 4

b) Analisar as formas de ondas geradas pelo microcontrolador através de um osciloscópio

na ferramenta Proteus.

c) Analisar os custos para a implementação do projeto.

1.5 Metodologia

Primeiramente foi feita uma pesquisa bibliográfica referentes ao assunto deste trabalho.

Em seguida, foi necessário “baixar” da internet os manuais de especificações dos disposi-

tivos utilizados para realizar este projeto. Após essa parte de pesquisa, foi estabelecida

a interconexão entre os dispositivos. Por último a programação no microcontrolador e os

resultados obtidos da simulação.

A metodologia utilizada neste projeto consiste em o microcontrolador 8051 da Philips

através de estruturas de programação da linguagem C gerar uma oscilação na sáıda de

um pino durante um determinando peŕıodo. No qual o peŕıodo dessa oscilação deverá cor-

responder à nota da tecla pressionada no switch que representa o teclado. O teclado musical

também terá o display de LCD LM016L onde o mesmo apresentará a nota pressionada e

sendo controlado através do microcontrolador.

1.6 Visão geral

Além deste caṕıtulo introdutório, neste trabalho inclui o caṕıtulo dois no qual exibirá

os fundamentação conceitual explicando teoria de f́ısica em relação à oscilação, conceitos de

eletrônica digital, introdução aos dispositivos utilizados e ao compilador. O caṕıtulo três,

refere-se à metodologia de como foi projeto para alcançar os objetivos. O caṕıtulo quatro,

explanará os resultados obtidos das simulações realizadas. O caṕıtulo cinco apresenta uma

breve conclusão e posśıveis trabalhos futuros e no caṕıtulo seis referencia-se aos livros e

outros materiais utilizados para elaboração deste trabalho.

Caṕıtulo 2

FUNDAMENTAÇÃO

CONCEITUAL

Este capitulo, resumidamente, apresentará fundamentos sobre conceitos básicos de os-

cilação e eletrônica digital. Além de uma breve introdução a respeito do microcontrolador

8051, do display LCD alfanumérico LM016L e dos demais dispositivos necessário para o

projeto. Seguido de uma explicação dos processos e das ferramentas necessárias para a

realização do experimento.

2.1 Oscilação

Segundo Haliday [d. Haliday et al.1996] oscilações são movimentos que se repetem.

O formalismo matemático que descreve as oscilações não se aplicaapenas a objetos materiais, como cordas de violino e elétrons. Éusado também no estudo das ondas eletromagnéticas (luz, ondas derádio, raios X, raios gama, microondas). [d. HALLIDAY et al.1996,p.24]

A frequência é uma propriedade do movimento oscilatório. Segundo Haliday [d. Haliday

et al.1996], o número de oscilações que são completadas em cada segundo caracteriza o

Oscilação 6

conceito de frequência. O śımbolo para frequência é a letra “f” e sua unidade SI é o hertz

(abreviado como Hz). A formula para encontrar a frequência é:

T = 1/f (2.1)

A letra “T” representa o peŕıodo, que é o tempo para completar uma oscilação. Qual-

quer movimento com intervalos regulares repetidos é chamado de movimento periódico ou

movimento harmônico.

2.1.1 Ondas sonoras

De acordo Haliday [d. Haliday et al.1996], as ondas sonoras são equivalentes às ondas

mecânicas que podem se propagar através de gases, ĺıquidos ou sólidos. O microcontrolador

não é o responsável por emitir essas ondas, ele apenas gera as ondas. O responsável por

emitir essas ondas é o dispositivo de som, mais especificamente o auto-falante. Essas ondas

quando repetidas em intervalos regulares, como já foi citado anteriormente, forma um

movimento periódico onde pode ser determinada uma frequência.

2.1.1.1 Notas musicais

As notas musicais utilizadas neste projeto consistem nas sete notas musicais sem varia-

ção de escala. A nota musical nada mais é que uma onda que se propaga no ar com uma

determinada frequência. Para que essa nota seja percebida pelo ouvindo de um ser humano

é necessário que a frequência esteja na faixa de 20 Hz a 20.000 Hz. No caso deste projeto

não é necessário que seja aprofundado o conceito de teoria musical, basta compreender

a respeito das notas geradas em relação às frequências correspondente, apresentadas na

Tabela 2.1 .

Essas são as frequências que ocorrem as ondas digitais geradas pelo microcontrolador.

Os conceitos relacionados a essas ondas e outros assuntos referente à eletrônica digital serão

abordados em seguida.

Conceitos fundamentais de Eletrônica digital 7

Tabela 2.1: As frequências das notas musicais. Fonte: Site da Universidade Tecnológica deMichigan Adaptada [Suits.2010].

Notas musicais FrequênciasDó 261 HzRé 293 HzMi 329 HzFá 349 HzSol 392 HzLá 440 HzSi 493 Hz

2.2 Conceitos fundamentais de Eletrônica digital

Segundo Floyd [Floyd.2007] o termo digital é originado de como os computadores re-

alizam operações, que é contando d́ıgitos. Ao longo do tempo as aplicações envolvendo

eletrônica digital ficaram apenas aos sistemas computacionais. Atualmente, a tecnologia

digital é aplicada em diversas áreas, como na saúde, no jornalismo e na música.

2.2.1 Grandeza digital

De acordo com Floyd [Floyd.2007] , uma grandeza digital é aquela que apresenta va-

lores discretos. A vantagem de utilizar um sistema digital é que dados digitais podem

ser processados e transmitidos de forma mais eficiente e confiável. Além disso é posśıvel

armazenar um maior número de informações. Por exemplo, uma musica pode ser convertida

para forma digital sendo armazenada de forma mais compacta e sua reprodução tem maior

precisão.

2.2.2 Nı́veis lógicos

Segundo Floyd [Floyd.2007], as tensões utilizadas para representar os bits 1 e 0 são

denominadas ńıveis lógicos. Teoricamente, um ńıvel de tensão representa o ńıvel alto e

outro representa o ńıvel baixo. Porém na pratica cada ńıvel possuem um valor mı́nimo e

máximo de tensão para que sejam considerados 1 ou 0. A Figura 2.1 ilustra a faixa de

valores mı́nimo e máximo para os ńıveis lógicos no qual podem variar de acordo com a

tensão de alimentação do dispositivo utilizado.

Conceitos fundamentais de Eletrônica digital 8

Figura 2.1: Faixa dos ńıveis lógicos. Fonte: [Esquemas.org.2010].

Observe que na Figura 2.1 que existe uma faixa limite para determinar se o nivel logico

é 0 ou 1.

2.2.3 Formas de ondas digitais

Floyd [Floyd.2007] afirma que formas de ondas digitais consiste na mudança entre ńıveis

lógicos 0 e 1. O pulso é uma forma de onda digital que pode ser negativo ou positivo. A

Figura 2.2 exibe duas formas de pulsos.

Figura 2.2: Pulsos ideais. Fonte: [Floyd.2007].

Na Figura 2.2.a é forma do pulso positivo e na Figura 2.2.b é forma do pulso negativo.

Observe que esses tipos de pulsos são ideais, pois as transições de ńıveis ocorrem instanta-

neamente. No mundo real não ocorre essa transição instantânea de ńıveis, eles apresentam

diversas caracteŕısticas. A Figura 2.3 é um exemplo de um pulso não ideal.

As formas de ondas encontradas em sistemas digitais são compostas de uma serie de

pulsos, segundo Floyd [Floyd.2007] denominadas de trem de pulsos. Essas formas de ondas

podem ser periódicas e não periódicas. A forma de onda periódica é aquela na qual se

Apresentando os dispositivos eletrônicos 9

Figura 2.3: Pulso não ideal. Fonte: [Floyd.2007].

repete durante um peŕıodo. Através de cálculos matemáticos é posśıvel encontrar a fre-

quência em que ocorre essa onda, como já foi visto anteriormente. A finalidade principal do

microcontrolador é gerar essa forma de onda na frequência correspondente à nota musical.

Esse microcontrolador e outros dispositivos serão vistos em seguida.

2.3 Apresentando os dispositivos eletrônicos

Esta seção visa compreender a respeito dos dispositivos eletrônicos utilizados para este

projeto. Apresentando suas particularidades, funções, diagramas, arquiteturas internas,

configurações e modo operações com intuito de melhor compreensão da metodologia uti-

lizada.

2.3.1 O microcontrolador 8051

O microcontrolador utilizado no projeto é o da famı́lia 8051. Segundo Nicolosi e

Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008], a respeito da origem e da famı́lia 8051.


Herdeira do microcontrolador 8048, que trabalha com palavras de 4bits, foi introduzida nos anos 80 pela Intel. Desde então, o 8051 temsido um dos mais populares microcontroladores, possibilitando teruma vasta famı́lia no mercado, sendo hoje produzida por mais de 30fabricantes, com mais de 600 variações de chips! [NICOLOSI andBRONZERI.2008, p. 19]

A partir do lançamento do microcontrolador pela Intel em 1977, o 8051 tem sido um dos

mais utilizados causando uma enorme variação de chips. Devido a sua vasta variação de

chips, em torno de seiscentas, podem apresentar conversores analógico digital, diferenças

entre quantidades de memórias RAM, ROM, EPROM, modulação PWM e memória Flash.

Variações em relação aos conversores A/D e D/A, comunicação SPI, IC, Ethernet, CAN,

memórias EEPROM e clocks.

O microcontrolador 8051 trabalha com palavras de 8 bits, atualmente existem micro-

controladores de 16 bits utilizados principalmente em processamento digital de sinais e

controle de sistemas em tempo real. além disso, é aplicado em uma diversidade de produ-

tos eletrônicos no mercado e também possui uma versatilidade de recursos ao projetista.

O seu alto desempenho e baixo custo tambem são fatores que agradam ao projetista. A

função do microcontrolador neste projeto é de controlar o teclado musical.

De acordo com manual de especificação da Philips [Philips.2000] os recursos t́ıpicos de

um microcontrolador 8051 são os seguintes:

• 64 Kbytes de memória para DATA e CODE.

• 256x8 bytes de memória RAM, dividida entre a área de uso geral e registradoresespeciais.

• Dois temporizador/contador de 16 bits.

• Uma porta serial programável (UART).

• Interface para memória esterna com capacidade de 64 Kbytes de endereçamento ex-terno de memória.

• Quatro portas de entrada/sáıda dados

• Seis possibilidades de interrupções com dois grupos de prioridades.


A Figura 2.4 representa a arquitetura interna do microcontrolador 8051 na forma de

diagrama em blocos. além disso é posśıvel notar na Figura 2.4 que todos os recursos t́ıpicos,

apresentados anteriormente, de um microcontrolador 8051 estão nesse representante da

famı́lia Philips.

Figura 2.4: Arquitetura interna do microcontrolador 8051 representada por meio de diagramaem blocos. Fonte: Manual Philips [Philips.2000].

2.3.1.1 Memória do microcontrolador

De acordo com Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008], o microcontrolador

8051 trabalha com “palavras” de 8 bits, ou seja, 1 bytes é equivalente ao espaço 8 bits de

caracteres na memória do microcontrolador. O tamanho da memória do microcontrolador


é de 64 kbytes uma parte para manipulação e outra para armazenamento. Podendo-se

estender caso haja uma memória externa junto ao microcontrolador.

Como já foi mostrado anteriormente o microcontrolador possui memórias CODE e

DATA, ou seja, memórias para código e memória para manipulação de dados. A área para

memória externa é chamada de XDATA. Utiliza uma memória SRAM (RAM estática) e

seu acesso efetiva-se ou pelo DPTR (Data Pointer Register) ou por registradores de forma

indireta. Esse tipo de acesso utiliza de muitos ciclos de maquina porém no microcontrolador

8051 é mais eficiente utilizar a memória DATA para melhor manipulação de dados, de

acordo com Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008].

A organização da memória do microcontrolador baseia-se na Figura 2.5. Observação

importante é que existem diversas maneiras de expressar conceitos das memórias do mi-

crocontrolador 8051, devido a ficha de dados não apresentar a organização da memória. A

Figura 2.5 é a forma de expressar a organização da memória segundo os autores Nicolosi e

Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008].

De acordo com Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008], a memória CODE

é o local onde armazena o programa executável. Nessa região, como mostra a Figura

2.5, destina-se a 4 K de memória ROM para esse propósito. Essas memórias podem ar-

mazenar dados fixos cujo programa utlizado para o teclado musical acessará. Lembrando

que memórias do tipo ROM são apenas para fazer leitura de dados. Existem outras formas

de armazenar o programa executável. Por exemplo, utilizando uma memória SRAM, RAM

interna ou DRAM. Porém caso ocorra uma “queda” de energia, o programa armazenado é

“perdido” tendo que armazena-lo novamente. Já no caso da memória ROM esse problema

não ocorre, pois ele é não volátil. Deve-se levar em conta que esses diferentes tipos de

armazenamento, podem depender do propósito geral do projeto em relação a sua comple-

xidade.

Segundo Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008], A memória DATA é o local

onde ocorre a manipulação de dados. A RAM armazena temporariamente os dados, por

exemplo, para manipularmos um display. Sempre que um botão for acionado, o display

realizará leitura e escrita para gerar novos dados em seu visor. Essa área DATA é dividia

em regiões e sub-regiões, como mostra a Figura 2.6.


Figura 2.5: Organização das regiões e blocos da memória acesśıveis no microcontrolador 8051.Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada.

2.3.1.2 Representação, particularidade e funções dos pinos externos

Para apresentar as configurações dos pinos externos do microcontrolador observe a

Figura 2.7 com os dois tipos de encapsulamentos do microcontrolador 8051 da Philips.

Na Figura 2.7, é listado os pinos do microcontrolador com seus respectivos nomes.

Observe que alguns apresentam mais de um nome, ocorre devido alguns pinos apresentarem

mais de uma função.

Segundo Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008], as portas P0 e P2 disponibi-

lizam interface com memórias externas, servindo para multiplexar os bits dos endereços.

A porta P0, manipula os dados e emite a parte menos significativa dos endereços. Outra

particularidade dessa porta P0, é que unicamente ela não apresenta resistores pull-up, ou

seja, quando não utilizada para as funções de memória externa pode ser utilizada para

interligar dispositivos, por exemplo, um display de LCD. A parte mais significativa dos


Figura 2.6: Organização da Região DATA. Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada.

endereços da memória externa é responsabilidade da porta P2.

De acordo com o manual da Philips [Philips.2000], o microcontrolador possui quatro

portas bidirecionais, como mostra a figura anterior, onde cada uma apresenta oito pinos.

Todas portas podem funcionar como entrada e sáıda de dados, porém algumas apresentam

particularidades como as descritas no parágrafo anterior. É através de uma dessas portas

que é gerado a onda no microcontrolador.

Os pinos da porta P3 são utilizados para realizar certas funções especiais que não é

fundamental para este trabalho. A porta P1 não destaca nenhuma particularidade em

relação as outras.

Após ser apresentado as portas do microcontrolador, serão discutidas resumidamente

os restantes dos pinos e suas funções de acordo com Calcutt [Calcutt et al.1998]. O pino de

reset, intitulado de RST, é utilizado para reset quando esse pino é colocado em ńıvel lógico

1 durante dois ciclos de máquina. O pino ALE/PROG é conhecido como pino de controle

de acesso à memória externa, sendo responsável por permitir fazer a demultiplexação de

dados e endereços na porta P0. O pino PSEN quando está em ńıvel 0 ou seja ativo, indica

leitura de uma instrução na área de programa. O Pino de acesso externo, intitulado de


Figura 2.7: Encapsulamento do microcontrolador 8051. Fonte: Manual Philips [Philips.2000].

EA/VPP, quando ligado em ńıvel lógico 1, fará a execução de programas localizado na

memória interna ou caso esteja ligado em ńıvel lógico 0, o microcontrolador apenas fará

leitura da memória externa. Os pinos XTAL1 e XTAL2 são pinos que geram clock padrão

para o microcontrolador, para gerar esse clock é necessário a utilização de 2 capacitores e

1 cristal conforme mostrado na Figura 2.8. O valor do cristal é de 12 MHz e proporciona

ciclo de maquina de 1 ms.

2.3.1.3 Registradores especiais

Os registradores especiais estão localizados em uma região da memória RAM interna,

mais especificamente entre o intervalo de endereços 128 e 255 como mostrado na Figura

2.5. Esse intervalo de endereços pode ser acessado de forma direta, ou seja, de bit a bit.

Os registrados especiais estão resumidamente apresentados na Tabela 2.2.

Para este projeto não é necessário compreender detalhadamente a respeito de cada

um desses registradores que estão na Tabela 2.2. Basta saber que as ondas geradas pelo

microcontolador serão através dos registradores da P2.


Figura 2.8: Capacitores e Cristal interligados para gerar o clock de maquina. Fonte: [Nicolosiand Bronzeri.2008] Adaptada.

Tabela 2.2: Registradores que permitem controlar os temporizadores. Fonte: [Nicolosi andBronzeri.2008] Adaptada.

Registradores Especiais FunçõesACC Acumulador

P0, P1, P2 e P3 Registradores dos pinos de comunicaçãoB Registrador utilizado nas

instruções de multiplicar e dividirPSW Registrador do estado da ultima operação

(Program Status Word) lógica e aritméticarealizada no acumulador

IP e IE Registradores associados as interrupções(Interrupt Priority e Interrupt Enable) do microcontrolador

DPH e DPL Ambos formam um registrador(Data Pointer High de 16 bits chamado dee Data Pointer Low) DPTR (Data pointer)SP (Stack Pointer) Ponteiro da Pilha

PCON Altera modos de funcionamento(Power Control Register) da pastilhaSBUF (Serial Buffer) e Registradores associados

SCON (Serial Port Control Register) a porta serialTH0, TL0, TH1 e TL1 Registradores associados

(Timer High e Timer Low, 0 e 1) aos temporizadoresTCON Registrador que permite controlar

(Timer Control Register) os temporizadoresTMOD Registrador que permite programar

(Timer Mode Register) os modos dos temporizadores

2.3.2 Display de cristal ĺıquido

O display de cristal ĺıquido é um painel de pouca espessura usado para exibir dados por

via eletrônica, como texto, imagens e v́ıdeos. Os displays de cristal ĺıquido são versáteis,


apresentam custo razoável e oferecem um baixo consumo. No passado, o uso desse display

não era tão grande devido à complexidade dos sinais de controle que deveriam ser gerados.

Com o advento da famı́lia de controladores LCD da Hitachi, houve uma grande difusão

desses dispositivos, gerando um padrão largamente aceito.

Existem basicamente dois módulos de displays LCD’s, os alfanuméricos e os gráficos.

Além disso apresenta transferência paralela ou serial. O display utilizado no projeto possui

modulo alfanumérico e transferência paralela.

O display LCD LM016L utilizado neste projeto, tem possibilidade de acoplar-se com

microcontroladores que trabalham com quatro ou oito bits de palavras, que é o caso do

microcontrolador 8051. Esse display, de acordo com o manual da Hitachi [Hitachi.1998],

possui modulo alfanumérico de 2 linhas e 16 colunas, podendo gerar ate 80 tipos de ca-

racteres que estão armazenados em uma DDRAM interna de 80 bytes. O tamanho do

caractere pode ser de 5x7 ou 5x10 pontos. Nesse tipo de display o“mostrador”não consegue

visualizar totalmente a memória RAM, ou seja, ele “enxerga” os dados como uma analogia

da visão que temos por uma janela.

2.3.2.1 A arquitetura interna do display

A arquitetura do display LM016L esta representada na forma de diagrama na Figura

2.9 que foi retirada do manaul do display LM016L da Hitachi [Hitachi.1998].

Figura 2.9: Arquitetura do display LM016L. Fonte: Manual LM016L [Hitachi.1998].

O display LM016L possui um controlador HD44780 e um driver HD44100, representados

na Figura 2.9, respectivamente pelos blocos LCD II e IC. Neste projeto não é conveniente


entrar em detalhes para explicar como funciona esse controlador e driver do LM016L. A

tabela de códigos e formação de caracteres do HD44780 este presente no Apêndice A.

O display e o microcontrolador comunicam-se em ASCII, de acordo com o hexadecimal

do número binário relacionados no Apêndice A. A memória interna do display, no qual são

armazenados os caracteres ASCII, é apresentada na Figura 2.10. A CGRAM é uma região

da memória utilizada para gerar caracteres especiais (ç, é, ã e outros).

Figura 2.10: Representação em blocos da memória RAM e Registradores do display.

2.3.2.2 Os pinos externos do display, particularidades e funções

Voltando na Figura 2.9, observe que na esquerda estão representados os pinos do

LM016L porém não estão enumerados e alguns pinos foram ocultados. Para melhor com-

preensão observe a Tabela 2.3, apresentando os número dos pinos, seus nomes e funções.

Segundo Ayala [Ayala.2006], o pino intitulado “RS” é responsável pelo tipo de infor-

mação que está sendo armazenada, por exemplo, se é uma instrução para que o micro-

processador realize algum comando do display ou se é um dado que o display tem que

“mostrar”. O pino R/W quando esta em ńıvel lógico um faz a leitura dos registradores in-

ternos do display, já em ńıvel lógico 0 realiza um escrita ou comando no display. O pino E

é responsável por receber a informação. Os pinos de DB0 a DB7 são pinos de comunicação

com o meio exterior, é através deles que “dados” ou “instruções” trafegam. No caso de

ajuste do contraste do display é necessário o uso dos componentes encontrados na Figura

2.11.


Tabela 2.3: Funções dos pinos do display LM016L. Fonte: Manual do display LCD LM016L[Hitachi.1998] Adaptada.

Número do pino Nome Função1 VSS2 VO Alimentação3 VDD4 RS Seleciona Registador. (Instrução ou dados)5 R/W Opção de Escrita ou Leitura6 E Habilitação do dispositivo7 DB08 DB19 DB210 DB311 DB4 Via de comunicação de 8 bits12 DB513 DB614 DB7

Figura 2.11: Detalhe do controle de contraste do display LCD. Fonte: Apostila LCD [Barbacedaand Fleury.2010].

Em seguida a definição dada por Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008] a

respeito do display LCD.


Um display é um “periférico inteligente”, que tem outro micropro-cessador dentro dele e que “fala” com o mundo externo em 8 bits(tem alguns de 4 bits). Ele tem um pino intitulado “RS” para dizerse o que estamos apresentando para o display é um “dado” ou uma“instrução de programação”. Temos sempre que iniciar o display“programando-o”, isto é, fazendo com que ele “entenda” o que vaireceber em seguida à sua ligação e como vai apresentar no seu visor(que ocorre em seguida à programação realizada) os dados de escrita.[NICOLOSI and BRONZERI.2008, p. 146]

2.3.2.3 Comandos básicos do display

O display de cristal ĺıquido possui diversas instruções que realizam comandos. Essas

instruções estão localizadas no registrador de controle e são enviadas através do microcon-

trolador. São acessadas de acordo com a variação do ńıvel lógico 0 ou 1, dos pinos RS,

R/W, DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6 e DB7. Essas variações do ńıvel lógico dos

pinos e comandos pode ser encontrada no Apêndice B deste trabalho.

2.3.3 Outros dispositivos utilizados

Após uma introdução a respeito do microcontrolador e do display, serão apresentados

o teclado e o dispositivo de som utilizado no projeto.

2.3.3.1 O teclado

Para a representação do teclado no experimento é utilizado um switch. O switch possui

diversas traduções para o português, mas a utilizada nesse projeto é de troca. A Figura

2.12 representa o switch da ferramenta de simulação Proteus.

O funcionamento desse dispositivo é bem simples, observe na Figura 2.12 que do lado

esquerdo, ou seja, na entrada apresenta apenas um pino e do lado direito, ou seja, na sáıda

7 pinos. O pino 8 determina o ńıvel lógico, 0 ou 1, na sáıda dos pinos de 1 a 7 quando um

ou mais forem pressionados. Por exemplo, imagine que no pino 8 esteja em ńıvel lógico 0,

caso algum pino esteja ativado, ou seja, trocado para “on” a sáıda desse pino será de ńıvel

lógico 0.


Figura 2.12: Switch de 1 entrada e 7 sáıdas

2.3.3.2 O Dispositivo de som

O dispositivo de som é responsável por emitir as ondas geradas pelo microcontrolador.

A qualidade e potência do som vão depender do propósito da aplicação, para efeito apenas

de simulação o dispositivo de som utilizado será semelhante ao utilizado em brinquedos e

campainhas. O auto-falante é o responsável por emitir as ondas que forem geradas pelo

microcontrolador. A Figura 2.13 representa o dispositivo de som utilizado no projeto.

Figura 2.13: Ativação do dispositivo de som

Observe na Figura 2.13 que o dispositivo de som utiliza mais 4 componentes eletrônicos,

que são 2 resistores, um transistor BC327 e o auto-falante. A palavra “OUT ” representa

Ferramentas utilizadas no Projeto 22

a sáıda da frequência gerada pelo microcontrolador. Após apresentados brevemente os

principais dispositivos deste projeto. É importante apresentar as ferramentas e os processos

de compilação utilizados neste projeto.

2.4 Ferramentas utilizadas no Projeto

Os objetivos deste tópico é apresentar o compilador utilizado no programa que está no

Apendice C, descrever os processos de compilação utilizado para elaborar um programa

para microcontroladores e apresentar a ferramenta de simulação do teclado.

2.4.1 Apresentando o compilador

A função do compilador é traduzir o código em C para Assembly tornando o código

numa linguagem compreendida pelo microcontrolador e após realizar essa tarefa invocar o

montador e o linker. O compilador associado a essas outras ferramentas tem como finali-

dade gerar códigos para realização da simulação e emulação do arquivo a ser transmitido

para o microcontrolador. Além disso após a compilação outros arquivos são gerados porém

para este projeto não é fundamental comentar sobre esses arquivos.

A Figura 2.14 representa os processos que ocorrem durante a compilação de um código

em C ou Assembly.

Com o intuito de entender esses processos dos arquivos gerados para simulação e emu-

lação, desde a criação do programa, observe o primeiro bloco “Editor de Texto” na Figura

2.14. Para escrever o código do programa é necessário utilizar um editor de texto. Caso

o programador esteja utilizando a linguagem C para escrever o programa, é necessário

utilizar um compilador para gerar o código em C para um código relativo em Assembly

tornando assim esse código compreendido em linguagem de maquina. Após esse processo

o montador fica responsável por montar os arquivos traduzidos pelo compilador. O linker

gera outros arquivos como o mapa da memoria, onde não é de suma importancia destacar.

O arquivo para simulação tem extensão de “.hex”, já o utilizado para ser emulado tem

extensão “.bin”.


Figura 2.14: Os processos de compilação de um programa em C ou Assembly

2.4.1 O compilador SDCC

O SDCC (Small Device C Compiler) é um compilador de domı́nio publico, totalmente

direcionado para a programação de microcontroladores que utilizam palavras de 8 bits e

é distribúıdo pela GNU General Public License. Esse compilador é freeware e suportado

em plataformas linux, MAC OS e Microsoft Windows. Além da famı́lia de microcontro-

lador 8051, o SDCC é suportado pelas famı́lias de microcontroladores Zilog Z80, variações

da Dallas DS80C390 e PIC. As informações anteriores foram retiradas do site oficial do

compilador SDCC [Dutta.2010].

Para gerar os arquivos de simulação e emulação do programa é necessário uma serie de

processos e ferramentas funcionando juntos com o SDCC. A Figura 2.15 exibe os processos


que ocorrem durante a compilação de um programa em C ou Assembly e uma adaptação

com as ferramentas utilizadas juntos ao compilador.

Figura 2.15: Os processos de compilação do programa e as ferramentas utilizadas

Para escrever o programa é utilizado o editor “Jens’ file editor”. Como foi visto anteri-

ormente, caso o programador esteja utilizando a linguagem C para escrever o programa, é

necessário a utilização de um compilador que neste projeto foi o compilador SDCC. Após

esse processo de compilação, foi utlizado o montador assembler e o linker que é o link-editor.

No qual será gerado diversos arquivos após a compilação.

A junção de todas essas ferramentas é chamado de compilador 8051, onde pode ser

encontrada o site da empresa Neurotrend [Neurotrend.2010]. A tarefa é simples do ponto

de vista do usuário dessa ferramenta. Apenas terá o trabalho de escrever o código na

linguagem preferida, salvar com a extensão da linguagem e depois clicar em “compilar”

gerando os arquivos de simulação e emulação como mostrado na Figura 2.16.


Figura 2.16: O compilador 8051 gerando os arquivos de simulação e emulação.

O código está salvo em extensão “.c”, ou seja, é um programa em linguagem de progra-

mação C e a parte circulada de vermelho da Figura 2.16 é onde o programador clica para

compilar, gerando os arquivos de simulação e emulação. Na parte circulada de amarelo

exibe o resultado da compilação, caso haja algum erro no programa será apresentando

nessa parte.

2.4.2 A ferramenta Proteus

O Proteus é uma ferramenta desenvolvido pela empresa inglesa Labcenter Electro-

nics que agrega o ambiente de simulação de circuitos eletrônicos ISIS e o programa para


desenho de circuito impresso Ares professional. O projeto esquematico deste trabalho

utiliza o ambiente ISIS profissional da versão 7. O Proteus é um software para simulação

de microprocessadores, captura esquemática, e placa de circuito impresso (PCB design).

Informações retiradas do site da empresa Labcenter [LabcenterElectronics.2010]

A Figura 2.17 mostra o ambiente da ferramenta Proteus ISIS.

Figura 2.17: Ambiente da ferramenta ISIS 7 profissional Proteus

Ao clicar no botão que está na parte circulada em azul da Figura 2.17, abrirá uma nova

janela com os componentes desejados para a simulação. Após adicionar os componentes

no esquematico, o botão que está no circulo vermelho executa a simulação.

Caṕıtulo 3

METODOLOGIA

Este caṕıtulo refere-se aos métodos empregados para elaboração deste projeto. Após a-

presentar conceitos teóricos dos dispositivos e demais ferramentas utilizadas, é necessário

demonstrar como chegar ao resultado final demonstrado para cada dispositivo o modo de

operar. Os tópicos principais abordados são referentes ao acionamento das teclas, confi-

guração do display, como gerar ondas no microcontrolador e a programação envolvida.

3.1 Determinando o ńıvel lógico de acionamento das

teclas

O teclado será representado por um switch como já foi visto anteriormente. O ńıvel

lógico de acionamento das teclas é em 0, determinado devido as portas do microcontro-

lador 8051, quando não utilizadas, estarem sempre senśıveis a ńıvel lógico 0. Para que

entenda melhor como determinar que tecla está sendo pressionada, observe na Figura 3.1

a interconexão entre o microcontrolador e o switch na ferramenta Proteus.

Observe na Figura 3.1, que na entrada do switch está ligado em ńıvel lógico 0 deter-

minada através do ground, representado pela cor azul no pino 9 do switch. As sáıdas e a

porta 1 do microcontrolador estão determinadas em ńıvel lógico 1, representado pela cor

vermelha. Para entender o que acontece no momento da troca do pino 3 para “on” nas

teclas do switch, veja o mesmo esquema montado no Proteus da Figura 3.1 agora na Figura

Determinando o nível lógico de acionamento das teclas 28

Figura 3.1: Determinando ńıvel lógico nas portas do microcontrolador

3.2 com apenas uma modificação que é o pino 4 sendo ativada.

Observe na Figura 3.2, que houve uma mudança de ńıvel lógico no pino P1.3 do micro-

controlador correspondendo a ativação do pino 4 do switch. Essa mudança foi determinada

pelo ground na entrada do switch, tornando o pino que estiver ativado em de ńıvel lógico

1 para ńıvel lógico 0. Desta forma pode-se determinar qual tecla será pressionada pelo

usuário através da programação do microcontrolador. Caso mais de uma pino seja ativado,

o ńıvel lógico mudará em todos os pinos relacionados do microcontrolador sempre de acordo

Determinando o nível lógico de acionamento das teclas 29

com a entrada do switch que nesse caso está em ńıvel lógico 0. Então é conveniente dizer

que as sáıdas do switch determina qual a tecla está sendo pressionada no microcontrolador

deste projeto.

Figura 3.2: Mudança de Nı́vel lógico no “pino P1.3” determinado pelo ground

Con�gurando o display LM016L 30

3.1.1 Programando para determinar a tecla pressionada

Como pode ser visto as portas do microcontrolador são senśıveis a ńıvel lógico 0, de

acordo com Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008]. Para programar basta deter-

mina uma estrutura de controle de decisão. Observe na Figura 3.3 como é um programa

para determinando se o ńıvel lógico 0 foi ativado no pino P1.3 do microcontrolador

Figura 3.3: Estrutura do controlador de decisão e controlador de loop

Dessa forma é posśıvel determinar para Figura 3.2 que está ativado o pino P1.3 em

ńıvel lógico 0, realizar o procedimento contido na estrutura de controle while que está na

Figura 3.3. Caso o programador queira verificar se os demais pinos está em ńıvel lógico 0,

basta criar uma estrutura de controle, como a apresentada na Figura 3.3, para cada pino

utilizado da porta desejada.

3.2 Configurando o display LM016L

Este projeto tem como um dos objetivos ilustrar através do display qual nota está

sendo pressionado no teclado, com finalidade de disponibilizar melhor visibilidade quando

o usuário utilizar o teclado musical. Para que isso seja posśıvel, primeiro será necessária

mostrar a interconexão do display ao microcontrolador que ambos já foram apresentados

separadamente no caṕıtulo 2.

Observe na Figura 3.4 como é feito a interconexão entre o microcontrolador e o display

LM016L de acordo com Bronzeri e Nicolosi [Nicolosi and Bronzeri.2008]. Além do display

e do microcontrolador outros componentes são necessários. O potenciômetro é respon-

sável por controlar o contraste do display. Os demais componentes são necessários para o

funcionamento real do display.


Figura 3.4: Interconexão entre o microcontrolador 8051 e o display LM016L

3.2.1 Programando o display para receber comandos e escrita

pelo microcontrolador

A rotina de envio de comandos do display é representada por uma função chamada

de “comandosLCD”. Através dessa função é posśıvel realizar os comandos que estão no

Apêndice B. A Figura 3.5 é o código em C para que seja enviados comandos ao display.

Figura 3.5: Função de rotina para enviar comandos ao display LCD

Observe na Figura 3.5 que é a criação da funçao de rotina “comandosLCD” no qual


representa a forma em que serão enviados os comandos. Para que o programador envie

os comandos que ele desejar, observe a Figura 3.6 com a função onde o microcontrolador

envia alguns comandos ao display.

Figura 3.6: Função para inicializar o display LCD com alguns comandos

A Figura 3.6 apresentam alguns comandos do display chamada através da função “co-

mandosLCD” que a mesma já foi apresentada na Figura 3.5. Ainda na Figura 3.6 os

comandos utilizados neste código estão em hexadecimal e como ja foi dito estão represen-

tados no Apêndice B. Caso o programador queira utilizar outros comandos do display basta

transformar os comandos representados em binários na tabela encontrada no Apendice B

para hexadecimal e colocar na estrutura da função “comandosLCD” .

A função para escrever no display é mais simples. Observe a Figura 3.7 com o código

em C da função de escrever no display.

Figura 3.7: Função para escrever no display LCD

Nesta Figura 3.7, onde contém o código em C para escrever num display, mostra a

função escrever. Para que o programador escreva no display será necessário “chamar”, no

Gerando ondas no microcontrolador 8051 33

programa principal, esta função e entre os parênteses da função escrever a palavra, entre

aspas duplas, que deseja aparecer no display.

Após apresentar as funções de rotina de enviar comandos, inicializar e escrever em um

display, observe na Figura 3.8 como é feito para escrever a nota musical em relação à tecla

pressionada no switch e para quando não houver tecla pressionada.

Figura 3.8: Programação para escrever no display

Na Figura 3.8, o código contido no quadrado vermelho é quando não houver nenhuma

tecla pressionada, sugerindo no visor a frase “Pressione uma tecla”. O código contido no

quadrado azul é para quando o usuário pressionar a tecla (correspondente ao pino P1.1

do microcontrolador), apresentando no visor a “Nota Do”. Dessa forma então é posśıvel

escrever as notas de acordo com a tecla pressionada.

3.3 Gerando ondas no microcontrolador 8051

O método utilizado é oscilar constantemente a sáıda de um pino do microcontrolador

8051 entre ńıveis lógicos 0 e 1 atráves dos registradores especiais da P2, sendo que para

o intervalo da mudança de ńıveis lógicos é determinado um tempo igual de duração. O

tempo que é “gasto” pelos dois ńıveis lógicos forma uma onda digital periódica. Os tempos

Gerando ondas no microcontrolador 8051 34

do intervalo “gasto” pelos dois ńıveis lógicos então é chamado de peŕıodo. O inverso desse

peŕıodo é a frequência onde essa frequência corresponde a uma nota musical.

Basicamente o microcontrolador gera uma oscilação entre os ńıveis lógicos durante um

intervalo de tempo, a frequência gerada depende do tempo “gasto” em cada ńıvel lógico. O

maior problema em trabalhar desta forma é que o microcontrolador possui um clock interno

onde cada ciclo de maquina demora cerca de 1 ms e o ciclo de maquina de cada instruçao

lida no programa é diferente pois o compilador primeiro traduz o codigo em linguagem C

para Assembly. A alternativa encontrada foi analisar através de osciloscópio a frequência

gerada a cada tempo gasto pelos ńıveis lógicos e aproximar ao máximo da frequência

correspondente a nota, no qual foi determinado pela programação de uma estrutura de

controle for.

Observe a Figura 3.9, contendo o código com o método utilizado para gerar ondas

digitais periódicas no microcontrolador.

Figura 3.9: Método utilizado para gerar oscilação em uma onda

Observe na Figura 3.9 que a variável z no código oscila entre os valores 0 e 1 gerando

uma onda periódica na sáıda do pino P2.0 do microcontrolador. Há uma estrutura for,

na figura anterior, para cada ńıvel lógico, com o mesmo tempo “gasto” para cada uma.

A frequência gerada por esse tempo “gasto” é correspondente a nota Dó médio. Para as

demais notas as estruturas de controle for, tiveram que ser testados com valores aleatórios

para determina a frequência correspondente as notas. As estruturas são encontradas no

Apêndice C junto com o restante do codigo fonte principal do programa.

Caṕıtulo 4

RESULTADOS

Neste caṕıtulo serão apresentados os resultados obtidos do esquema montado, na fer-

ramenta Proteus, entre o microcontrolador 8051, o display LCD LM016L, o switch e

do dispositivo de som através da metodologia utilizada no projeto. Primeiramente será

mostrada a interconexão entre o microcontrolador e os demais dispositivos. Em seguida,

serão mostrados os resultados das notas no visor do display através de um osciloscópio,

analisado as ondas geradas pelo microcontrolador e o custo dos dispositivos.

4.1 Interconexão do microcontrolador com os demais

dispositivos

Uma das partes mais importantes do projeto é a interconexão entre o microcontrolador

8051, o display LCD LM016, o dispositivo de som, o switch e os demais componentes

para realização de uma simulação real do teclado musical. Tendo em vista a interconexão

montado na Figura 4.1 com os dispositivos do projeto na ferramenta Proteus é posśıvel

analisar cada parte da interconexão.

Observe na Figura 4.1 que o teclado faz interconexão com o microcontrolador através

dos registradores da porta P1. A porta P0, pela caracteŕıstica de“dreno aberto”, é utilizada

para interconectar o display LM016L. Na porta P2 do microcontrolador é apenas utilizado

o pino P2.0 no qual é responsável por gerar a onda oscilante durante um peŕıodo que é

Resultado das notas musicais no display 36

Figura 4.1: Interconexão entre o microcontrolador e os demais dispositivos

correspondente a frequência das notas musicais no qual ja foram apresentadas na Tabela 2.1.

Os demais dispositivos são necessários para o perfeito funcionamento do microcontrolador

em mundo real.

4.2 Resultado das notas musicais no display

É importante apresentar as notas musicais geradas correspondentes no visor a fim de

facilitar o aprendizado no teclado musical. Inicialmente o resultado é para caso de o usuário

do teclado não pressione nenhuma tecla. Veja o resultado na Figura 4.2.

Observe na Figura 4.2 que no pino 8 do switch está em ńıvel lógico 0 e os demais

pinos estão em ńıvel lógico 1, ou seja, nenhuma tecla foi pressionada. Enquanto o visor do

display mostra para o usuário a frase “Pressione uma tecla”. No caso de alguma tecla estar

pressionada, a Figura 4.3 mostra o resultado do display.

Observe na Figura 4.3 que agora a tecla 1 foi pressionada, com isso o pino P1.1 do

Resultado da onda gerada pelo microcontrolador 37

Figura 4.2: Resultado do display quando nenhuma tecla pressionada

Figura 4.3: Resultado do display quando pressionada a tecla 1 do switch

microcontrolador foi de ńıvel lógico 1 para ńıvel lógico 0 e o display apresenta no seu visor

a frase “Nota Do”. O resultado para as demais notas quando pressionado é o mesmo. É

importante explicar que caso mais de uma tecla seja pressionada, a primeira é que será

exibida no visor.

4.3 Resultado da onda gerada pelo microcontrolador

O microcontrolador gera uma onda digital periódica durante um determinado peŕıodo o

que caracteriza uma frequência de acordo com Haliday [d. Haliday et al.1996]. Para poder

analisar a onda gerada é necessário utilizar um osciloscópio.

4.3.1 Análise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota

Dó

Na Figura 4.4 é utilizado um osciloscópio para analisar o formato da onda e a frequência

em que ela ocorre.


Figura 4.4: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Dó

O formato da onda determina o efeito produzido pelo som de acordo com Haliday

[d. Haliday et al.1996], como pode ser visto a onda é quadrada. O peŕıodo para formação

de uma onda completa, de acordo com o osciloscópio da Figura 4.4, é aproximadamente 3,82

ms. A frequência pode ser encontrada pela formula f=1/T resultando em aproximadamente

261 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Dó médio.



Ré

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Ré é apresentado

na Figura 4.5.

Figura 4.5: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Ré

Observe na Figura 4.5 que a partir de agora o “Timebase” do osciloscópio é de 500

s/Div. O peŕıodo para formação de uma onda completa, de acordo com o osciloscópio da

Figura 4.5, é aproximadamente 3,40 ms. A frequência pode ser encontrada pela formula

f=1/T resultando em aproximadamente 293 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota

Ré médio.


Mi

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Mi é apresentado

na Figura 4.6.

O peŕıodo para formação de uma onda completa, de acordo com o osciloscópio da Figura

4.6, é aproximadamente 3,04 ms. A frequência pode ser encontrada pela formula f=1/T


Figura 4.6: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Mi

resultando em aproximadamente 329 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Mi

médio.


Fá

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Fá é apresentado

na Figura 4.7.



resultando em aproximadamente 349 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Fá

médio.


Figura 4.7: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Fá


Sol

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Sol é apresentado

na Figura 4.8.



resultando em aproximadamente 392 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Sol

médio.


Lá

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Lá é apresentado

na Figura 4.9.



resultando em aproximadamente 440 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Lá


Figura 4.8: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Sol

Figura 4.9: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Lá

médio.

Custos dos dispositivos e análise provável do projeto implementado 43


Si

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Si é apresentado

na Figura 4.10.

Figura 4.10: Análise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Si



resultando em aproximadamente 493 Hz, no qual é equivalente a frequência da nota Si

médio.

4.4 Custos dos dispositivos e análise provável do pro-

jeto implementado

Os preços dos dispositivos são variados porém apresenta uma média. Observe a Tabela

4.1 com os preços dos dispositivos.

O custo dos dispositivos do projeto é relativamente baixo, porém para implementação

f́ısica do projeto outras despesas serão necessárias. A estrutura f́ısica do instrumento pode

Custos dos dispositivos e análise provável do projeto implementado 44

Tabela 4.1: Preço dos dispositivos utilizados no projeto

Dispositivos Preço em ReaisMicrocontrolador 8051 50,00

Display LM016L 40,00Dispositivo de Som 15,00

Total 105,00

apresentar custo variado, dependendo sempre da complexidade do projeto. Analisar se é

viável ou não é um estudo mais abrangente e não será abordado neste trabalho.

Caṕıtulo 5

CONSIDERAÇÕES FINAIS E

TRABALHOS FUTUROS

Os objetivos propostos por esse trabalho consistiam em:

a) Projetar uma forma de emitir as notas musicais Dó, Ré, Mi, Fá, Sol, Lá e Si com

recurso de um display de LCD onde o usuário visualize a nota musical que foi pressionada

numa tecla.

b) Analisar as formas de ondas geradas pelo microcontrolador.

c) Disponibilizar o custo médio dos dispositivos do projeto.

Esses objetivos foram todos conclúıdos com os métodos utilizados, através dos dis-

positivos e apresentados neste trabalho. Onde também foram apresentados os resultados

através de um osciloscópio para cada nota musical deste projeto, detalhando cada passo

para chegar ao resultado final.

É importante destacar a função dos principais dispositivos eletrônicos utilizados. Em

resumo o microcontrolador 8051 ofereceu mais de uma função, entre elas:

• Controlar o display de LCD.

46

• Gerar uma onda digital quadrada durante um determinando peŕıodo.

• Verificar a tecla pressionada.

Já o display ficou responsável de mostrar a tecla que estava sendo pressionada no

teclado, o switch representando o teclado e o dispositivo de som para emitir a onda gerada

pelo microcontrolador. Além disso, referente a analise do custo deste projeto, pode-se notar

o baixo custo dos dispositivos. Uma idéia interessante seria disponibilizar para crianças

de escolas públicas a implementação f́ısica deste projeto a fim de auxiliar na educação e

socialização.

Para trabalhos futuros uma proposta interessante seria aumentar os recursos desse

teclado, como exemplo, disponibilizar um outro efeito sonoro ou um teclado onde auxilie

o usuário a tocar uma música. Outra proposta seria aumentar o número de escalas e as

notas musicais das teclas pretas de um teclado musical.

Referências Bibliográficas

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and Applications. West Publishing, 3a edition.

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Display lcd Dispońıvel em: acessoem : 17nov.

[Calcutt et al.1998] Calcutt, D. M., Cowan, F. J., and Parchizadeh., G. H. (1998). 8051

microcontrollers: hardware, software, and applications. Arnold, 1a edition.

[d. Haliday et al.1996] d. Haliday, r. Resnick, and j. Walker. (1996). Fundamentos de F́ısica

2: Gravitação, Ondas e Termodinamica. S.A, 4a edition.

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[Esquemas.org.2010] Esquemas.org., S. (2010). Entendendo os circuitos Dispońıvel em:

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[Floyd.2007] Floyd., T. (2007). Sistemas digitais – Fundamentos e Aplicações. Bookman, 9a

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[Hitachi.1998] Hitachi., E. (1998). Manual de especificação do display LM016L da Hitachi.

Hitachi.

[LabcenterElectronics.2010] LabcenterElectronics., E. (2010). Site da empresa responsável

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 48

[Neurotrend.2010] Neurotrend., E. (2010). Download do compilador 8051 Dispońıvel em:

acesso em: 17 nov.

[Nicolosi and Bronzeri.2008] Nicolosi, D. E. C. and Bronzeri., R. B. (2008). Microcontrolador

8051 com linguagem C: pratico e didático: famı́lia AT89S8252 atmel. Érica, 2a edition.

[Philips.2000] Philips., E. (2000). Manual de especificação do microcontrolador 8051 da

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[Suits.2010] Suits., B. H. (2010). Frequencies of musical notes Dispońıvel em:

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