Download pdf - 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 COMPUTACAO

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 Conclusao de Curso apresentado

a banca avaliadora do Curso de Engenharia

de Computacao, da Escola Superior de

Tecnologia, da Universidade do Estado do

Amazonas, como pre-requisito para obtencao

do tıtulo de Engenheiro de Computacao.

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

Manaus

2010

ii

Universidade do Estado do Amazonas - UEA

Escola Superior de Tecnologia - EST

Reitor:

Jose Aldemir de Oliveira

Vice-Reitor:

Marly Guimaraes Fernandes Costa

Diretor da Escola Superior de Tecnologia:

Mario Augusto Bessa de Figueiredo

Coordenador do Curso de Engenharia de Computacao:

Antenor Ferreira Filho

Coordenador da Disciplina Projeto Final:

Aurea Hileia 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 - Catalogacao na Publicacao

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 Conclusao de Curso (Graduacao em Engenharia de Computacao).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 Conclusao de Curso apresentado

a banca avaliadora do Curso de Engenharia

de Computacao, da Escola Superior de

Tecnologia, da Universidade do Estado do

Amazonas, como pre-requisito para obtencao

do tıtulo de Engenheiro de Computacao.

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

Agradeco primeiramente aos meus pais pela

oportunidade de estudar em outra cidade.

Sem esquecer de todas as pessoas que aju-

daram no meu processo de graduacao.

v

Resumo

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

com outras pessoas ou sozinho. Com a musica e possivel realizar diversas atividades,

assim como, ouvir, cantar, tocar e dancar. Os instrumentos musicais sao responsaveis

por ajudar a compor uma cancao. Um desses instrumentos e o teclado musical, em

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

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

componentes eletronicos. Entre os diversos componentes eletronicos um dos principais

e o microcontrolador, sendo responsavel por controlar as funcoes basicas do teclado. O

presente trabalho tem como objetivo projetar um instrumento baseado na funcionalidade

do teclado. Quando o usuario pressionar uma tecla sera estabelecida uma onda pelo

microcontrolador, no qual a frequencia dessa onda e correspondente a frequencia 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

Sumario

Lista de Figuras ix

1 INTRODUCAO 1

1.1 Apresentacao do tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

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

1.3 Delimitacao do tema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

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

1.4.1 Objetivos especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

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

1.6 Visao geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2 FUNDAMENTACAO CONCEITUAL 5

2.1 Oscilacao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

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

2.2 Conceitos fundamentais de Eletronica digital . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

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

2.2.2 Nıveis logicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

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

2.3 Apresentando os dispositivos eletronicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

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

2.3.2 Display de cristal lıquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 nıvel logico 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 Interconexao 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 Analise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Do . . . 37

4.3.2 Analise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Re . . . 39

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

4.3.4 Analise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota Fa . . . 40

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

4.3.6 Analise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota La . . . 41

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

4.4 Custos dos dispositivos e analise provavel do projeto implementado . . . . 43

5 CONSIDERACOES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS 45

Referencias Bibliograficas 47

ix

Lista de Figuras

2.1 Faixa dos nıveis logicos. Fonte: [Esquemas.org.2010]. . . . . . . . . . . . . 8

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

2.3 Pulso nao 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 Organizacao das regioes e blocos da memoria acessıveis no microcontrolador

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

2.6 Organizacao da Regiao 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 Representacao em blocos da memoria 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 saıdas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.13 Ativacao do dispositivo de som . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

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

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

2.16 O compilador 8051 gerando os arquivos de simulacao e emulacao. . . . . . 25

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

3.1 Determinando nıvel logico nas portas do microcontrolador . . . . . . . . . 28

3.2 Mudanca de Nıvel logico no “pino P1.3” determinado pelo ground . . . . . 29

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

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

x

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

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

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

3.8 Programacao para escrever no display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.9 Metodo utilizado para gerar oscilacao em uma onda . . . . . . . . . . . . . 34

4.1 Interconexao 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 Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Do . . . . . . . . . 38

4.5 Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Re . . . . . . . . . . 39

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

4.7 Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Fa . . . . . . . . . . 41

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

4.9 Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota La . . . . . . . . . . 42

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

Capıtulo 1

INTRODUCAO

1.1 Apresentacao do tema

Ao longo da historia da humanidade a musica esta presente e influente nas sociedades.

Antigamente, para produzir uma musica, as pessoas utilizavam pedacos de tronco de arvore

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

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

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

variacao de modelos diferentes. Um desses instrumentos musicais e o teclado que surgiu na

decada de 60 e foi um dos primeiros construıdo com algum dispositivo eletronico, porem

era muito caro e pouco comercializado.

Atualmente, com a queda de preco dos dispositivos eletronicos utilizados na fabricacao

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

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

a ingressar no meio da musica para gerar uma renda complementar ou ate mesmo como

unica renda familiar. Outra questao importante e no aumento da coordenacao motora e no

raciocınio de criancas que aprendem a tocar teclado desde pequenas, devido a infinidade de

recursos possıveis em um teclado musical. Alem disso pessoas com deficiencia visual podem

atraves desse instrumento torna-se independente e ajudar no processo de socializacao, que

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

Justi�cativa 2

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

seio com o feedback necessario para auxiliar uma crianca no aprendizado fornecendo uma

informacao precisa da nota que esta sendo pressionada. Alem disso alguns teclados pos-

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

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

utilizados para composicao de uma musica.

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

determinado perıodo correspondendo as frequencias das notas musicais e analisar as ondas

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

gerada uma onda durante um determinado perıodo, onde e estabelecida uma frequencia

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 eletronicos

sao controlados por microcontroladores. O microcontrolador e o responsavel por gerar a

onda em uma determinada frequencia. O visor e representado por um display de LCD que

tambem e controlado pelo microcontrolador e o teclado e representado por um switch.

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

projetista. O compilador utilizado e o SDCC, que pode ser utilizado para programacao 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 ja

fornece ao programador os arquivos para simulacao e emulacao. A linguagem utilizada

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

microcontroladores. O display utilizado neste trabalho foi o LM016L.

1.2 Justificativa

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

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

sao exemplos de praticas que contribuem para a saude mental e coordenacao motora. Essas

atividades sao muito mais importantes em criancas, elas aprendem a tocar um instrumento

e melhoram o desempenho nas disciplinas escolares.

Uma outra contribuicao do aprendizado de instrumentos musicais, refere-se as pessoas

Delimitação do tema 3

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

sociedade, muitas vezes ate mesmo na independencia financeira do indivıduo.

Para composicao de uma musica diversos instrumentos podem ser utilizados e um desses

instrumentos e 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 proposito de simulacao,

atraves da ferramenta Proteus um instrumento musical com funcionalidade semelhante a

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

hardware.

1.3 Delimitacao do tema

Esse trabalho tem atencao principal em projetar uma forma de gerar frequencias, que

estao de acordo com as frequencias das notas musicais, atraves de programacao no mi-

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

musical quando o usuario pressionar uma tecla. Essas teclas sao representadas por um

switch.

1.4 Objetivos

O presente trabalho tem como objetivo projetar atraves da ferramenta de simulacao

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

frequencias dessas ondas deverao corresponder a frequencia das notas musicais.

1.4.1 Objetivos especıficos

a) Projetar atraves da ferramenta Proteus um esquematico 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 frequencias correspondentes as notas musicais (Do, Re,

Mi, Fa, Sol, La e Si) e mostrar para o usuario atraves do display a nota musical.

Metodologia 4

b) Analisar as formas de ondas geradas pelo microcontrolador atraves de um osciloscopio

na ferramenta Proteus.

c) Analisar os custos para a implementacao do projeto.

1.5 Metodologia

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

Em seguida, foi necessario “baixar” da internet os manuais de especificacoes dos disposi-

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

a interconexao entre os dispositivos. Por ultimo a programacao no microcontrolador e os

resultados obtidos da simulacao.

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

atraves de estruturas de programacao da linguagem C gerar uma oscilacao na saıda de

um pino durante um determinando perıodo. No qual o perıodo dessa oscilacao devera cor-

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

tambem tera o display de LCD LM016L onde o mesmo apresentara a nota pressionada e

sendo controlado atraves do microcontrolador.

1.6 Visao geral

Alem deste capıtulo introdutorio, neste trabalho inclui o capıtulo dois no qual exibira

os fundamentacao conceitual explicando teoria de fısica em relacao a oscilacao, conceitos de

eletronica digital, introducao aos dispositivos utilizados e ao compilador. O capıtulo tres,

refere-se a metodologia de como foi projeto para alcancar os objetivos. O capıtulo quatro,

explanara os resultados obtidos das simulacoes realizadas. O capıtulo cinco apresenta uma

breve conclusao e possıveis trabalhos futuros e no capıtulo seis referencia-se aos livros e

outros materiais utilizados para elaboracao deste trabalho.

Capıtulo 2

FUNDAMENTACAO

CONCEITUAL

Este capitulo, resumidamente, apresentara fundamentos sobre conceitos basicos de os-

cilacao e eletronica digital. Alem de uma breve introducao a respeito do microcontrolador

8051, do display LCD alfanumerico LM016L e dos demais dispositivos necessario para o

projeto. Seguido de uma explicacao dos processos e das ferramentas necessarias para a

realizacao do experimento.

2.1 Oscilacao

Segundo Haliday [d. Haliday et al.1996] oscilacoes sao movimentos que se repetem.

O formalismo matematico que descreve as oscilacoes nao se aplicaapenas a objetos materiais, como cordas de violino e eletrons. Eusado tambem no estudo das ondas eletromagneticas (luz, ondas deradio, raios X, raios gama, microondas). [d. HALLIDAY et al.1996,p.24]

A frequencia e uma propriedade do movimento oscilatorio. Segundo Haliday [d. Haliday

et al.1996], o numero de oscilacoes que sao completadas em cada segundo caracteriza o

Oscilação 6

conceito de frequencia. O sımbolo para frequencia e a letra “f” e sua unidade SI e o hertz

(abreviado como Hz). A formula para encontrar a frequencia e:

T = 1/f (2.1)

A letra “T” representa o perıodo, que e o tempo para completar uma oscilacao. Qual-

quer movimento com intervalos regulares repetidos e chamado de movimento periodico ou

movimento harmonico.

2.1.1 Ondas sonoras

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

mecanicas que podem se propagar atraves de gases, lıquidos ou solidos. O microcontrolador

nao e o responsavel por emitir essas ondas, ele apenas gera as ondas. O responsavel por

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

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

movimento periodico onde pode ser determinada uma frequencia.

2.1.1.1 Notas musicais

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

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

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

e necessario que a frequencia esteja na faixa de 20 Hz a 20.000 Hz. No caso deste projeto

nao e necessario que seja aprofundado o conceito de teoria musical, basta compreender

a respeito das notas geradas em relacao as frequencias correspondente, apresentadas na

Tabela 2.1 .

Essas sao as frequencias que ocorrem as ondas digitais geradas pelo microcontrolador.

Os conceitos relacionados a essas ondas e outros assuntos referente a eletronica digital serao

abordados em seguida.

Conceitos fundamentais de Eletrônica digital 7

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

Notas musicais FrequenciasDo 261 HzRe 293 HzMi 329 HzFa 349 HzSol 392 HzLa 440 HzSi 493 Hz

2.2 Conceitos fundamentais de Eletronica digital

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

alizam operacoes, que e contando dıgitos. Ao longo do tempo as aplicacoes envolvendo

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

digital e aplicada em diversas areas, como na saude, no jornalismo e na musica.

2.2.1 Grandeza digital

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

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

ser processados e transmitidos de forma mais eficiente e confiavel. Alem disso e possıvel

armazenar um maior numero de informacoes. Por exemplo, uma musica pode ser convertida

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

precisao.

2.2.2 Nıveis logicos

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

denominadas nıveis logicos. Teoricamente, um nıvel de tensao representa o nıvel alto e

outro representa o nıvel baixo. Porem na pratica cada nıvel possuem um valor mınimo e

maximo de tensao para que sejam considerados 1 ou 0. A Figura 2.1 ilustra a faixa de

valores mınimo e maximo para os nıveis logicos no qual podem variar de acordo com a

tensao de alimentacao do dispositivo utilizado.

Conceitos fundamentais de Eletrônica digital 8

Figura 2.1: Faixa dos nıveis logicos. Fonte: [Esquemas.org.2010].

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

e 0 ou 1.

2.2.3 Formas de ondas digitais

Floyd [Floyd.2007] afirma que formas de ondas digitais consiste na mudanca entre nıveis

logicos 0 e 1. O pulso e 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 e forma do pulso positivo e na Figura 2.2.b e forma do pulso negativo.

Observe que esses tipos de pulsos sao ideais, pois as transicoes de nıveis ocorrem instanta-

neamente. No mundo real nao ocorre essa transicao instantanea de nıveis, eles apresentam

diversas caracterısticas. A Figura 2.3 e um exemplo de um pulso nao ideal.

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

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

podem ser periodicas e nao periodicas. A forma de onda periodica e aquela na qual se

Apresentando os dispositivos eletrônicos 9

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

repete durante um perıodo. Atraves de calculos matematicos e possıvel encontrar a fre-

quencia em que ocorre essa onda, como ja foi visto anteriormente. A finalidade principal do

microcontrolador e gerar essa forma de onda na frequencia correspondente a nota musical.

Esse microcontrolador e outros dispositivos serao vistos em seguida.

2.3 Apresentando os dispositivos eletronicos

Esta secao visa compreender a respeito dos dispositivos eletronicos utilizados para este

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

configuracoes e modo operacoes com intuito de melhor compreensao da metodologia uti-

lizada.

2.3.1 O microcontrolador 8051

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

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


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

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

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

chips, em torno de seiscentas, podem apresentar conversores analogico digital, diferencas

entre quantidades de memorias RAM, ROM, EPROM, modulacao PWM e memoria Flash.

Variacoes em relacao aos conversores A/D e D/A, comunicacao SPI, IC, Ethernet, CAN,

memorias 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. alem disso, e aplicado em uma diversidade de produ-

tos eletronicos no mercado e tambem possui uma versatilidade de recursos ao projetista.

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

funcao do microcontrolador neste projeto e de controlar o teclado musical.

De acordo com manual de especificacao da Philips [Philips.2000] os recursos tıpicos de

um microcontrolador 8051 sao os seguintes:

• 64 Kbytes de memoria para DATA e CODE.

• 256x8 bytes de memoria RAM, dividida entre a area de uso geral e registradores

especiais.

• Dois temporizador/contador de 16 bits.

• Uma porta serial programavel (UART).

• Interface para memoria esterna com capacidade de 64 Kbytes de enderecamento ex-

terno de memoria.

• Quatro portas de entrada/saıda dados

• Seis possibilidades de interrupcoes com dois grupos de prioridades.


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

diagrama em blocos. alem disso e possıvel notar na Figura 2.4 que todos os recursos tıpicos,

apresentados anteriormente, de um microcontrolador 8051 estao nesse representante da

famılia Philips.

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

2.3.1.1 Memoria 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 e equivalente ao espaco 8 bits de

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


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

estender caso haja uma memoria externa junto ao microcontrolador.

Como ja foi mostrado anteriormente o microcontrolador possui memorias CODE e

DATA, ou seja, memorias para codigo e memoria para manipulacao de dados. A area para

memoria externa e chamada de XDATA. Utiliza uma memoria SRAM (RAM estatica) 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 porem no microcontrolador

8051 e mais eficiente utilizar a memoria DATA para melhor manipulacao de dados, de

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

A organizacao da memoria do microcontrolador baseia-se na Figura 2.5. Observacao

importante e que existem diversas maneiras de expressar conceitos das memorias do mi-

crocontrolador 8051, devido a ficha de dados nao apresentar a organizacao da memoria. A

Figura 2.5 e a forma de expressar a organizacao da memoria segundo os autores Nicolosi e

Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008].

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

e o local onde armazena o programa executavel. Nessa regiao, como mostra a Figura

2.5, destina-se a 4 K de memoria ROM para esse proposito. Essas memorias podem ar-

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

que memorias do tipo ROM sao apenas para fazer leitura de dados. Existem outras formas

de armazenar o programa executavel. Por exemplo, utilizando uma memoria SRAM, RAM

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

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

nao ocorre, pois ele e nao volatil. Deve-se levar em conta que esses diferentes tipos de

armazenamento, podem depender do proposito geral do projeto em relacao a sua comple-

xidade.

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

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

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

realizara leitura e escrita para gerar novos dados em seu visor. Essa area DATA e dividia

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


Figura 2.5: Organizacao das regioes e blocos da memoria acessıveis no microcontrolador 8051.Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada.

2.3.1.2 Representacao, particularidade e funcoes dos pinos externos

Para apresentar as configuracoes 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, e 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 funcao.

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

lizam interface com memorias externas, servindo para multiplexar os bits dos enderecos.

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

particularidade dessa porta P0, e que unicamente ela nao apresenta resistores pull-up, ou

seja, quando nao utilizada para as funcoes de memoria externa pode ser utilizada para

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


Figura 2.6: Organizacao da Regiao DATA. Fonte: [Nicolosi and Bronzeri.2008] Adaptada.

enderecos da memoria externa e 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 saıda de dados, porem algumas apresentam

particularidades como as descritas no paragrafo anterior. E atraves de uma dessas portas

que e gerado a onda no microcontrolador.

Os pinos da porta P3 sao utilizados para realizar certas funcoes especiais que nao e

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

relacao as outras.

Apos ser apresentado as portas do microcontrolador, serao discutidas resumidamente

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

reset, intitulado de RST, e utilizado para reset quando esse pino e colocado em nıvel logico

1 durante dois ciclos de maquina. O pino ALE/PROG e conhecido como pino de controle

de acesso a memoria externa, sendo responsavel por permitir fazer a demultiplexacao de

dados e enderecos na porta P0. O pino PSEN quando esta em nıvel 0 ou seja ativo, indica

leitura de uma instrucao na area 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 nıvel logico 1, fara a execucao de programas localizado na

memoria interna ou caso esteja ligado em nıvel logico 0, o microcontrolador apenas fara

leitura da memoria externa. Os pinos XTAL1 e XTAL2 sao pinos que geram clock padrao

para o microcontrolador, para gerar esse clock e necessario a utilizacao de 2 capacitores e

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

ciclo de maquina de 1 ms.

2.3.1.3 Registradores especiais

Os registradores especiais estao localizados em uma regiao da memoria RAM interna,

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

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

Os registrados especiais estao resumidamente apresentados na Tabela 2.2.

Para este projeto nao e necessario compreender detalhadamente a respeito de cada

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

microcontolador serao atraves 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 FuncoesACC Acumulador

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

instrucoes de multiplicar e dividirPSW Registrador do estado da ultima operacao

(Program Status Word) logica e aritmeticarealizada no acumulador

IP e IE Registradores associados as interrupcoes(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 lıquido

O display de cristal lıquido e um painel de pouca espessura usado para exibir dados por

via eletronica, como texto, imagens e vıdeos. Os displays de cristal lıquido sao versateis,


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

nao era tao grande devido a complexidade dos sinais de controle que deveriam ser gerados.

Com o advento da famılia de controladores LCD da Hitachi, houve uma grande difusao

desses dispositivos, gerando um padrao largamente aceito.

Existem basicamente dois modulos de displays LCD’s, os alfanumericos e os graficos.

Alem disso apresenta transferencia paralela ou serial. O display utilizado no projeto possui

modulo alfanumerico e transferencia 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 e o caso do

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

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

racteres que estao 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”nao consegue

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

da visao 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 nao e conveniente


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

tabela de codigos e formacao de caracteres do HD44780 este presente no Apendice A.

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

do numero binario relacionados no Apendice A. A memoria interna do display, no qual sao

armazenados os caracteres ASCII, e apresentada na Figura 2.10. A CGRAM e uma regiao

da memoria utilizada para gerar caracteres especiais (c, e, a e outros).

Figura 2.10: Representacao em blocos da memoria RAM e Registradores do display.

2.3.2.2 Os pinos externos do display, particularidades e funcoes

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

LM016L porem nao estao enumerados e alguns pinos foram ocultados. Para melhor com-

preensao observe a Tabela 2.3, apresentando os numero dos pinos, seus nomes e funcoes.

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

macao que esta sendo armazenada, por exemplo, se e uma instrucao para que o micro-

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

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

ternos do display, ja em nıvel logico 0 realiza um escrita ou comando no display. O pino E

e responsavel por receber a informacao. Os pinos de DB0 a DB7 sao pinos de comunicacao

com o meio exterior, e atraves deles que “dados” ou “instrucoes” trafegam. No caso de

ajuste do contraste do display e necessario o uso dos componentes encontrados na Figura

2.11.


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

Numero do pino Nome Funcao1 VSS2 VO Alimentacao3 VDD4 RS Seleciona Registador. (Instrucao ou dados)5 R/W Opcao de Escrita ou Leitura6 E Habilitacao do dispositivo7 DB08 DB19 DB210 DB311 DB4 Via de comunicacao 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 definicao dada por Nicolosi e Bronzeri [Nicolosi and Bronzeri.2008] a

respeito do display LCD.


Um display e um “periferico 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 e um “dado” ou uma“instrucao de programacao”. Temos sempre que iniciar o display“programando-o”, isto e, fazendo com que ele “entenda” o que vaireceber em seguida a sua ligacao e como vai apresentar no seu visor(que ocorre em seguida a programacao realizada) os dados de escrita.[NICOLOSI and BRONZERI.2008, p. 146]

2.3.2.3 Comandos basicos do display

O display de cristal lıquido possui diversas instrucoes que realizam comandos. Essas

instrucoes estao localizadas no registrador de controle e sao enviadas atraves do microcon-

trolador. Sao acessadas de acordo com a variacao do nıvel logico 0 ou 1, dos pinos RS,

R/W, DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6 e DB7. Essas variacoes do nıvel logico dos

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

2.3.3 Outros dispositivos utilizados

Apos uma introducao a respeito do microcontrolador e do display, serao apresentados

o teclado e o dispositivo de som utilizado no projeto.

2.3.3.1 O teclado

Para a representacao do teclado no experimento e utilizado um switch. O switch possui

diversas traducoes para o portugues, mas a utilizada nesse projeto e de troca. A Figura

2.12 representa o switch da ferramenta de simulacao Proteus.

O funcionamento desse dispositivo e 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 saıda

7 pinos. O pino 8 determina o nıvel logico, 0 ou 1, na saıda dos pinos de 1 a 7 quando um

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

caso algum pino esteja ativado, ou seja, trocado para “on” a saıda desse pino sera de nıvel

logico 0.


Figura 2.12: Switch de 1 entrada e 7 saıdas

2.3.3.2 O Dispositivo de som

O dispositivo de som e responsavel por emitir as ondas geradas pelo microcontrolador.

A qualidade e potencia do som vao depender do proposito da aplicacao, para efeito apenas

de simulacao o dispositivo de som utilizado sera semelhante ao utilizado em brinquedos e

campainhas. O auto-falante e o responsavel por emitir as ondas que forem geradas pelo

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

Figura 2.13: Ativacao do dispositivo de som

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

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

Ferramentas utilizadas no Projeto 22

a saıda da frequencia gerada pelo microcontrolador. Apos apresentados brevemente os

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

de compilacao utilizados neste projeto.

2.4 Ferramentas utilizadas no Projeto

Os objetivos deste topico e apresentar o compilador utilizado no programa que esta no

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

para microcontroladores e apresentar a ferramenta de simulacao do teclado.

2.4.1 Apresentando o compilador

A funcao do compilador e traduzir o codigo em C para Assembly tornando o codigo

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

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

dade gerar codigos para realizacao da simulacao e emulacao do arquivo a ser transmitido

para o microcontrolador. Alem disso apos a compilacao outros arquivos sao gerados porem

para este projeto nao e fundamental comentar sobre esses arquivos.

A Figura 2.14 representa os processos que ocorrem durante a compilacao de um codigo

em C ou Assembly.

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

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

2.14. Para escrever o codigo do programa e necessario utilizar um editor de texto. Caso

o programador esteja utilizando a linguagem C para escrever o programa, e necessario

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

tornando assim esse codigo compreendido em linguagem de maquina. Apos esse processo

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

gera outros arquivos como o mapa da memoria, onde nao e de suma importancia destacar.

O arquivo para simulacao tem extensao de “.hex”, ja o utilizado para ser emulado tem

extensao “.bin”.


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

2.4.1 O compilador SDCC

O SDCC (Small Device C Compiler) e um compilador de domınio publico, totalmente

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

e distribuıdo pela GNU General Public License. Esse compilador e freeware e suportado

em plataformas linux, MAC OS e Microsoft Windows. Alem da famılia de microcontro-

lador 8051, o SDCC e suportado pelas famılias de microcontroladores Zilog Z80, variacoes

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

compilador SDCC [Dutta.2010].

Para gerar os arquivos de simulacao e emulacao do programa e necessario uma serie de

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


que ocorrem durante a compilacao de um programa em C ou Assembly e uma adaptacao

com as ferramentas utilizadas juntos ao compilador.

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

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

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

necessario a utilizacao de um compilador que neste projeto foi o compilador SDCC. Apos

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

No qual sera gerado diversos arquivos apos a compilacao.

A juncao de todas essas ferramentas e chamado de compilador 8051, onde pode ser

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

de vista do usuario dessa ferramenta. Apenas tera o trabalho de escrever o codigo na

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

gerando os arquivos de simulacao e emulacao como mostrado na Figura 2.16.


Figura 2.16: O compilador 8051 gerando os arquivos de simulacao e emulacao.

O codigo esta salvo em extensao “.c”, ou seja, e um programa em linguagem de progra-

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

compilar, gerando os arquivos de simulacao e emulacao. Na parte circulada de amarelo

exibe o resultado da compilacao, caso haja algum erro no programa sera apresentando

nessa parte.

2.4.2 A ferramenta Proteus

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

nics que agrega o ambiente de simulacao de circuitos eletronicos ISIS e o programa para


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

utiliza o ambiente ISIS profissional da versao 7. O Proteus e um software para simulacao

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

Informacoes 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 botao que esta na parte circulada em azul da Figura 2.17, abrira uma nova

janela com os componentes desejados para a simulacao. Apos adicionar os componentes

no esquematico, o botao que esta no circulo vermelho executa a simulacao.

Capıtulo 3

METODOLOGIA

Este capıtulo refere-se aos metodos empregados para elaboracao deste projeto. Apos a-

presentar conceitos teoricos dos dispositivos e demais ferramentas utilizadas, e necessario

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

operar. Os topicos principais abordados sao referentes ao acionamento das teclas, confi-

guracao do display, como gerar ondas no microcontrolador e a programacao envolvida.

3.1 Determinando o nıvel logico de acionamento das

teclas

O teclado sera representado por um switch como ja foi visto anteriormente. O nıvel

logico de acionamento das teclas e em 0, determinado devido as portas do microcontro-

lador 8051, quando nao utilizadas, estarem sempre sensıveis a nıvel logico 0. Para que

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

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

Observe na Figura 3.1, que na entrada do switch esta ligado em nıvel logico 0 deter-

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

porta 1 do microcontrolador estao determinadas em nıvel logico 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 nıvel logico nas portas do microcontrolador

3.2 com apenas uma modificacao que e o pino 4 sendo ativada.

Observe na Figura 3.2, que houve uma mudanca de nıvel logico no pino P1.3 do micro-

controlador correspondendo a ativacao do pino 4 do switch. Essa mudanca foi determinada

pelo ground na entrada do switch, tornando o pino que estiver ativado em de nıvel logico

1 para nıvel logico 0. Desta forma pode-se determinar qual tecla sera pressionada pelo

usuario atraves da programacao do microcontrolador. Caso mais de uma pino seja ativado,

o nıvel logico mudara 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 esta em nıvel logico 0. Entao e conveniente dizer

que as saıdas do switch determina qual a tecla esta sendo pressionada no microcontrolador

deste projeto.

Figura 3.2: Mudanca de Nıvel logico 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 sao sensıveis a nıvel logico 0, de

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

mina uma estrutura de controle de decisao. Observe na Figura 3.3 como e um programa

para determinando se o nıvel logico 0 foi ativado no pino P1.3 do microcontrolador

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

Dessa forma e possıvel determinar para Figura 3.2 que esta ativado o pino P1.3 em

nıvel logico 0, realizar o procedimento contido na estrutura de controle while que esta na

Figura 3.3. Caso o programador queira verificar se os demais pinos esta em nıvel logico 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 atraves do display qual nota esta

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

o usuario utilizar o teclado musical. Para que isso seja possıvel, primeiro sera necessaria

mostrar a interconexao do display ao microcontrolador que ambos ja foram apresentados

separadamente no capıtulo 2.

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

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

e do microcontrolador outros componentes sao necessarios. O potenciometro e respon-

savel por controlar o contraste do display. Os demais componentes sao necessarios para o

funcionamento real do display.


Figura 3.4: Interconexao 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 e representada por uma funcao chamada

de “comandosLCD”. Atraves dessa funcao e possıvel realizar os comandos que estao no

Apendice B. A Figura 3.5 e o codigo em C para que seja enviados comandos ao display.

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

Observe na Figura 3.5 que e a criacao da funcao de rotina “comandosLCD” no qual


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

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

envia alguns comandos ao display.

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

A Figura 3.6 apresentam alguns comandos do display chamada atraves da funcao “co-

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

comandos utilizados neste codigo estao em hexadecimal e como ja foi dito estao represen-

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

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

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

A funcao para escrever no display e mais simples. Observe a Figura 3.7 com o codigo

em C da funcao de escrever no display.

Figura 3.7: Funcao para escrever no display LCD

Nesta Figura 3.7, onde contem o codigo em C para escrever num display, mostra a

funcao escrever. Para que o programador escreva no display sera necessario “chamar”, no

Gerando ondas no microcontrolador 8051 33

programa principal, esta funcao e entre os parenteses da funcao escrever a palavra, entre

aspas duplas, que deseja aparecer no display.

Apos apresentar as funcoes de rotina de enviar comandos, inicializar e escrever em um

display, observe na Figura 3.8 como e feito para escrever a nota musical em relacao a tecla

pressionada no switch e para quando nao houver tecla pressionada.

Figura 3.8: Programacao para escrever no display

Na Figura 3.8, o codigo contido no quadrado vermelho e quando nao houver nenhuma

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

quadrado azul e para quando o usuario pressionar a tecla (correspondente ao pino P1.1

do microcontrolador), apresentando no visor a “Nota Do”. Dessa forma entao e possıvel

escrever as notas de acordo com a tecla pressionada.

3.3 Gerando ondas no microcontrolador 8051

O metodo utilizado e oscilar constantemente a saıda de um pino do microcontrolador

8051 entre nıveis logicos 0 e 1 atraves dos registradores especiais da P2, sendo que para

o intervalo da mudanca de nıveis logicos e determinado um tempo igual de duracao. O

tempo que e “gasto” pelos dois nıveis logicos forma uma onda digital periodica. Os tempos

Gerando ondas no microcontrolador 8051 34

do intervalo “gasto” pelos dois nıveis logicos entao e chamado de perıodo. O inverso desse

perıodo e a frequencia onde essa frequencia corresponde a uma nota musical.

Basicamente o microcontrolador gera uma oscilacao entre os nıveis logicos durante um

intervalo de tempo, a frequencia gerada depende do tempo “gasto” em cada nıvel logico. O

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

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

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

para Assembly. A alternativa encontrada foi analisar atraves de osciloscopio a frequencia

gerada a cada tempo gasto pelos nıveis logicos e aproximar ao maximo da frequencia

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

controle for.

Observe a Figura 3.9, contendo o codigo com o metodo utilizado para gerar ondas

digitais periodicas no microcontrolador.

Figura 3.9: Metodo utilizado para gerar oscilacao em uma onda

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

uma onda periodica na saıda do pino P2.0 do microcontrolador. Ha uma estrutura for,

na figura anterior, para cada nıvel logico, com o mesmo tempo “gasto” para cada uma.

A frequencia gerada por esse tempo “gasto” e correspondente a nota Do medio. Para as

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

para determina a frequencia correspondente as notas. As estruturas sao encontradas no

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

Capıtulo 4

RESULTADOS

Neste capıtulo serao 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 atraves da metodologia utilizada no projeto. Primeiramente sera

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

serao mostrados os resultados das notas no visor do display atraves de um osciloscopio,

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

4.1 Interconexao do microcontrolador com os demais

dispositivos

Uma das partes mais importantes do projeto e a interconexao entre o microcontrolador

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

para realizacao de uma simulacao real do teclado musical. Tendo em vista a interconexao

montado na Figura 4.1 com os dispositivos do projeto na ferramenta Proteus e possıvel

analisar cada parte da interconexao.

Observe na Figura 4.1 que o teclado faz interconexao com o microcontrolador atraves

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

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

o pino P2.0 no qual e responsavel por gerar a onda oscilante durante um perıodo que e

Resultado das notas musicais no display 36

Figura 4.1: Interconexao entre o microcontrolador e os demais dispositivos

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

Os demais dispositivos sao necessarios para o perfeito funcionamento do microcontrolador

em mundo real.

4.2 Resultado das notas musicais no display

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

facilitar o aprendizado no teclado musical. Inicialmente o resultado e para caso de o usuario

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

Observe na Figura 4.2 que no pino 8 do switch esta em nıvel logico 0 e os demais

pinos estao em nıvel logico 1, ou seja, nenhuma tecla foi pressionada. Enquanto o visor do

display mostra para o usuario 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 nıvel logico 1 para nıvel logico 0 e o display apresenta no seu visor

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

importante explicar que caso mais de uma tecla seja pressionada, a primeira e que sera

exibida no visor.

4.3 Resultado da onda gerada pelo microcontrolador

O microcontrolador gera uma onda digital periodica durante um determinado perıodo o

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

analisar a onda gerada e necessario utilizar um osciloscopio.

4.3.1 Analise da onda gerada pelo microcontrolador para a nota

Do

Na Figura 4.4 e utilizado um osciloscopio para analisar o formato da onda e a frequencia

em que ela ocorre.


Figura 4.4: Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Do

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 e quadrada. O perıodo para formacao

de uma onda completa, de acordo com o osciloscopio da Figura 4.4, e aproximadamente 3,82

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

261 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota Do medio.



Re

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Re e apresentado

na Figura 4.5.

Figura 4.5: Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Re

Observe na Figura 4.5 que a partir de agora o “Timebase” do osciloscopio e de 500

s/Div. O perıodo para formacao de uma onda completa, de acordo com o osciloscopio da

Figura 4.5, e aproximadamente 3,40 ms. A frequencia pode ser encontrada pela formula

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

Re medio.


Mi

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

na Figura 4.6.

O perıodo para formacao de uma onda completa, de acordo com o osciloscopio da Figura

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


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

resultando em aproximadamente 329 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota Mi

medio.


Fa

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota Fa e apresentado

na Figura 4.7.



resultando em aproximadamente 349 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota Fa

medio.


Figura 4.7: Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota Fa


Sol

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

na Figura 4.8.



resultando em aproximadamente 392 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota Sol

medio.


La

O resultado da onda digital gerado pelo microcontrolador para nota La e apresentado

na Figura 4.9.



resultando em aproximadamente 440 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota La


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

Figura 4.9: Analise da onda gerada pelo microcontrolador da nota La

medio.

Custos dos dispositivos e análise provável do projeto implementado 43


Si

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

na Figura 4.10.

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



resultando em aproximadamente 493 Hz, no qual e equivalente a frequencia da nota Si

medio.

4.4 Custos dos dispositivos e analise provavel do pro-

jeto implementado

Os precos dos dispositivos sao variados porem apresenta uma media. Observe a Tabela

4.1 com os precos dos dispositivos.

O custo dos dispositivos do projeto e relativamente baixo, porem para implementacao

fısica do projeto outras despesas serao necessarias. A estrutura fısica do instrumento pode

Custos dos dispositivos e análise provável do projeto implementado 44

Tabela 4.1: Preco dos dispositivos utilizados no projeto

Dispositivos Preco 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 e

viavel ou nao e um estudo mais abrangente e nao sera abordado neste trabalho.

Capıtulo 5

CONSIDERACOES FINAIS E

TRABALHOS FUTUROS

Os objetivos propostos por esse trabalho consistiam em:

a) Projetar uma forma de emitir as notas musicais Do, Re, Mi, Fa, Sol, La e Si com

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

numa tecla.

b) Analisar as formas de ondas geradas pelo microcontrolador.

c) Disponibilizar o custo medio dos dispositivos do projeto.

Esses objetivos foram todos concluıdos com os metodos utilizados, atraves dos dis-

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

atraves de um osciloscopio para cada nota musical deste projeto, detalhando cada passo

para chegar ao resultado final.

E importante destacar a funcao dos principais dispositivos eletronicos utilizados. Em

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

• Controlar o display de LCD.

46

• Gerar uma onda digital quadrada durante um determinando perıodo.

• Verificar a tecla pressionada.

Ja o display ficou responsavel 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. Alem disso, referente a analise do custo deste projeto, pode-se notar

o baixo custo dos dispositivos. Uma ideia interessante seria disponibilizar para criancas

de escolas publicas a implementacao fısica deste projeto a fim de auxiliar na educacao e

socializacao.

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 usuario a tocar uma musica. Outra proposta seria aumentar o numero de escalas e as

notas musicais das teclas pretas de um teclado musical.

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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 48

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