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O básico sobre os Microcontroladores – parte 1 (MIC139)

Você que ainda não mexe com microcontroladores e deseja conhecer um pouco desses componentes para poder começar a usá-los, escolhendo uma família e fazendo um curso precisa saber exatamente o que estes dispositivos fazem. Nesta série de artigos introdutórios, ideal para quem quer começar, tem conhecimentos básicos de eletrônica, mostramos o que é um microcontrolador, o que ele faz, como funciona, como programar e os principais tipos que podem ser encontrados no mercado. Em especial, recomendamos tipos da enorme família que pode ser adquirida na Mouser (www..mouser.com) onde uma vasta literatura adicional sobre o assunto pode ser consultada.

 

Microcontroladores

Antigamente as montagens eletrônicas que poderiam ser usadas em todas as aplicações, incluindo a mecatrônica eram baseadas em componentes individuais (discretos) e eventualmente em diversos circuitos integrados exercendo funções separadas.

No entanto, a eletrônica evoluiu e com o advento do microprocessador e do microcontrolador passamos para uma nova fase da tecnologia das montagens que simplifica os projetos e montagens e, além disso, os torna muito mais poderosos e compactos.

Na mecatrônica e em muitas aplicações associadas como a robótica, internet das coisas (IoT), vestíveis, etc. os micro controladores ocupam hoje uma posição de destaque consistindo no “cérebro” dos circuitos, pois eles reúnem as funções de inteligência, memória e controle num espaço muito pequeno.

Assim, quando passamos dos projetos didáticos e experimentais simples, como os usados nos cursos de tecnologia (STEM) para uma etapa seguinte, a inclusão do microcontrolador não pode ser deixada de lado.

STEM = Science, technology, engineering and mathematics – termo adotado para o ensino de tecnologia nas escolas do nível fundamental e médio nos países de língua inglesa.

 

Por este motivo, fizemos esta série de artigos básicos sobre o uso de microcontroladores em projetos mecatrônicos, com destaque ao modo de usar.

Não podemos avançar muito porque, muito mais do que simples componentes, os microcontroladores reúnem uma infinidade de características e comportamentos, podendo ser encontrados numa grande variedade de tipos e formas que se diferenciam pelo que podem fazer e onde podem ser usados.

Serve, portanto, esta série como uma orientação básica para os que pretendem usar microcontroladores em projetos robóticos, mecatrônicos e de inteligência artificial, devendo os interessados se aprofundar no estudo dos tipos visados através de literatura apropriada. São os primeiros passos, rumo a uma infinidade de aplicações que poderão ser encontradas em nossos livros e site.

 

O que é um microcontrolador

O circuito integrado nos traz a ideia de que é possível reunir num invólucro único ou componente um circuito completo que exerça determinada função. Por exemplo, como já vimos neste livro, temos circuitos integrados que exercem funções de amplificadores, reguladores de tensão, funções lógicas, etc.(figura 1).

 


 

 

Cada tipo de circuito integrado exerce uma função única que é determinada pela disposição dos componentes no seu interior e suas interligações no momento em que são fabricados.

A ideia do microcontrolador é um pouco diferente. Fabricar num único chip um conjunto de circuitos que em princípio não tenha função alguma.

No entanto, ele possui recursos que permitem que ele seja programado para realizar algum tipo de função.

As funções básicas são as de controle. Usamos microcontroladores para controlar circuitos a partir de informações que passamos a ele. Podemos controlar um ventilador, um sistema de abertura de portas, os movimentos de um robô usando um microcontrolador, em cada caso programado para a função correspondente.

A ideia não é nova. Tendo surgido diversas famílias de microcontroladores desde seu advento, cada uma com recursos que dependem de seu fabricante e da finalidade a que se destinam.

Para uma aplicação em que espaço e consumo não é importante, podemos ter um circuito “grande” sem problemas, mas para uma aplicação móvel, num drone, por exemplo, consumo e tamanho são importantes.

Um microcontrolador consiste, portanto, num circuito integrado que tem a mesma aparência da maioria dos circuitos integrados comuns, eventualmente com mais pinos, dependendo da sua complexidade e da sua finalidades.

Muitos tipos comuns, conforme mostra a figura 2 estão disponíveis em invólucros DIL e outros.

 


 

 

No entanto, esses microcontroladores para poderem ser usados e programados precisam ser montados em placas apropriadas e a sua programação se faz com a conexão num computador.

Da mesma forma, a placa também prevê sua ligação aos circuitos que devem controlar e aos circuitos que vão fornecer as informações para o controle, tais como sensores, chaves, teclados externos, etc.

Na prática, usar o microcontrolador desta forma não é muito cômodo, pois exige a elaboração da placa que em alguns casos pode ser problemática se os microcontroladores forem de tipos que se destinam à montagem em superfície, com tamanhos reduzidos, conforme mostra a figura 3.

 


 

 

Este tipo de microcontrolador, com invólucro reduzido, se destina muito mais a aplicações industriais ou placas prontas ou ainda em quando os circuitos em que eles vão ser usados são montadas por máquinas.

Uma forma muito mais simples de se usar o microcontrolador, principalmente em projetos experimentais, com finalidades didáticas ou aplicações isoladas (que não vão ser industrializadas) é através de placas prontas.

São microcontroladores que são adquiridos montados em pequenas placas que já possuem todos os recursos para a entrada de programação através de um simples cabo e dotados de conectores para se ligar os circuitos que devem ser controlados, os sensores ou dispositivos de controle e, naturalmente a fonte de alimentação.

Estas placas, em muitos casos possuem ainda um circuito de alimentação próprio de modo que a aplicação externa pode ser feita por uma boa faixa de tensão conforme veremos.

Na figura 4 temos um exemplo de placa de microcontrolador, uma das mais populares, que é simples de usar e serve para uma infinidade de aplicações em mecatrônica, robótica, automação, IoT, etc. Falaremos desta placa mais adiante.

 


 

 

Para entendermos melhor como funciona o microcontrolador e a sua placa será interessante analisarmos sua estrutura interna dada na figura 5.

 


 

 

O bloco mais importante é a Unidade Central de Processamento ou CPU (Central Processing Unit) que consiste num processador capaz de realizar operações lógicas com sinais digitais.

Podemos dizer que se trata do “cérebro” do microcontrolador, pois ele pode fazer cálculos e processar informações de forma lógica. A CPU faz isso através de um programa próprio.

Assim, como no caso dos processadores usados nos computadores, o microcontroladores entendem apenas a linguagem que lhes é fornecida de uma digital e podem processar informações usando apenas o que eles “sabem”.

O que eles sabem é dado por um conjunto de instruções (set de instruções) que eles reconhecem sabendo usar quando as informações chegam.

Assim, se no nosso programa de controle dissermos que a CPU deve somar a temperatura lida por um sensor com a temperatura lida por outro. Os valores devem ser enviados na forma digital para a CPU e ela deve saber o que é somar.

Os microcontroladores possuem duas memórias.

A memória de programa serve para armazenar as instruções ou programa que dizem o que o microcontrolador deve fazer, por exemplo, somar a temperatura de dois sensores em determinada condição, se os valores das temperaturas coincidirem ligar ou desligar alguma coisa, etc.

Num vestível que controle uma sequência de LEDs produzindo um efeito, é nesta memória que ele é programado.

O tamanho dessas memórias varia segundo a finalidade e o tipo de microcontrolador. Assim, ao escolher um tipo para suas aplicações deve o projetista estar atento para esta característica.

Essas memórias são tipo EEPROM ou Flash, ou seja, memórias que retém a informação mesmo quando o microcontrolador é desligado e podem ser reprogramadas quando o ligamos a um computador para programar uma nova aplicação.

Na memória dados ficam as informações que o microcontrolador vai colhendo durante seu funcionamento, por exemplo, as leituras dos sensores, para serem usadas quando necessárias.

Um outro bloco importante a ser analisado é o dos timers ou temporizadores.

Muitas das funções exercidas pelos microcontroladores exigem a utilização de intervalos de tempo precisos. Ligar uma chave de tantos em tantos segundos, ler um sensor de temperatura ou de posição a cada 5 segundos. Para esta finalidade existe um bloco especial de programação em que isso pode ser feito.

O processamento do microcontrolador é muito rápido determinado pelo “clock”. Este clock comanda as operações que podem chegar a milhares ou milhões por segundo.

Com ajuda do timer, usando o sinal do clock podem ser obtidos ciclos de controle muito mais lentos.

As portas estão no bloco seguinte da estrutura básica consistindo no modo que o microcontrolador tem para se comunicar com o mundo exterior, ou seja, na sua interface com o mundo exterior.

As portas de entrada e saída (I/O = Input/output) são acessadas através de pinos do circuito integrado do microcontrolador e nas placas através de conectores onde podemos fazer as ligações dos circuitos externos, conforme mostra a figura 6.

 


 

 

Em muitos microcontroladores (para economizar pinos) os mesmos pinos podem ser usados para entrada e saída. Um comando interno diz o momento em que eles funcionam como entrada e o momento que funcionam como saída.

Na figura 7 temos um exemplo de microcontrolador em que os mesmos pinos podem ser usados como entrada e como saída.

 

 

As setas para fora e para dentro indicam que os pinos podem ser usados tanto para entrada como saída de sinal. No caso, o pino 4 é usado para determinar como isso ocorre.

Nas entradas podemos ligar diversos tipos de circuitos, mas eles devem ter características que permitam que o microcontrolador entenda os sinais que fornecem.

Assim, temos as entradas digitais que são entradas nas quais devem ser aplicados sinais digitais compatíveis com o microcontrolador, ou seja, sinais TTL ou CMOS, na maioria dos casos de 5 V. (também existem circuitos que operam com sinais de 3,3 V)

Podemos ligar nessas entradas sensores digitais que possuam recursos para digitalizar a medida que realizam. Na figura 8 temos exemplos de sensores digitais.

 

Módulo sensor digital de temperatura e módulo acelerômetro
Módulo sensor digital de temperatura e módulo acelerômetro

 

Também podemos ligar sensores simples do tipo sim ou não ou On/Off como chaves que enviam assim níveis lógicos 0 e 1.

Nas entradas analógicas podemos ligar sensores ou circuitos que forneçam sinais que correspondam a uma determinada faixa de tensões que o microcontrolador deve reconhecer.

Veja que o circuito processador não reconhece valores analógicos, assim nestas entradas existe um circuito interno conversor analógico para digital (ADC) que transformar a informação analógica em digital.

Dentro do microcontrolador, tudo que se passa é na forma digital.

Ao se usar as entradas analógicas de um microcontrolador o projetista deve saber qual é a faixa de tensões que pode ser aplicada nela, sem perigo de dano ao circuito.

Quanto ao reconhecimento das tensões aplicadas, depende apenas da programação.

Para as portas de saída, também é importante saber que tipo de sinais podemos encontrar nelas.

Os sinais encontrados são digitais, ou seja pulsos ou níveis lógicos onde o 0 ou LO é dado por uma tensão de 0 V e o 1 ou HI é dado por 5 V. (figura 9)

 


 

 

A corrente disponível nestas saídas é baixa, permitindo apenas que dispositivos de baixo consumo como LEDs sejam ligados diretamente.

Para usar estes sinais no controle de circuitos de maior consumo é preciso usar circuitos intermediários ou drivers, denominados “shields” ou ainda placas com componentes que podem ser controlados diretamente denominadas breakout boards (figura 10).

 

Shield contendo 4 relés
Shield contendo 4 relés

 

Na figura 11 temos um exemplo de como usar um microcontrolador para gerar efeitos sequenciais em suas saídas.

 


 

 

Bastará ligar as saídas a shields que controlem lâmpadas o LEDs para que eles corram produzindo os efeitos desejados.

Microcontroladores muito pequenos de baixo consumo são amplamente usados nas sequências de LEDs encontrados en enfeites de natal.

 

PWM

Uma das principais aplicações dos microcontroladores é no controle de motores.

Conforme já vimos em outros capítulos deste livro, o controle PWM é especialmente importante pelas suas características de melhor rendimento e manutenção de torque.

Assim, os microcontroladores mais comuns possuem saídas PWM, ou seja, saídas que podem ser programadas para fornecer sinais PWM de controle para motores.

Na prática elas não podem ser ligadas diretamente a um motor, pois sua corrente é muito baixa, mas podem ser usadas para controlar shields capazes de manusear as elevadas correntes de um motor de corrente contínua.

Na figura 12 temos um exemplo de shield de controle de motor DC PWM usando uma ponte H que também possibilita a inversão de seus sentido de rotação a partir de comandos do microcontrolador.

 


 

 

Outros recursos podem ser encontrados em muitas famílias de microcontroladores para aplicações específicas, como transmissores e receptores para receber sinais de rádio (Wi-Fi), e muito mais.

 

Arquitetura

Os diversos circuitos que formam um microcontrolador são organizados de formas bem determinadas e existem variações para isso. A forma como os diversos circuitos são interligados e ocorre seu funcionamento é chamada de "arquitetura" do microcontrolador.

A maioria dos microcontroladores usa dois tipos principais de arquitetura nos seus chips: RISC e Harvard.

RISC significa Reduced Instruction Set Computer (Computador Com Conjunto de Instruções Reduzido). Neste tipo de arquitetura, o microcontrolador faz tudo usando poucas instruções básicas que são combinadas de acordo com o que se deseja que ele faça.

 O uso de poucas instruções numa arquitetura RISC torna o microcontrolador muito rápido, pois cada uma delas pode ser executada tipicamente em apenas um ciclo do clock.

 Em contrapartida a arquitetura RISC existe a CISC (Complex Instruction Set Computer ou Computador com Conjunto de Instruções Complexo) que usa uma grande quantidade de instruções para operar. Estes computadores são mais poderosos, mas mais lentos por precisarem de vários ciclos de clock para executar algumas instruções. (figura 13)

 


 

 

 

Instruções e Clock

As instruções são as ordens que o microcontrolador obedece e em sua função faz alguma coisa. O clock é o ritmo de operação do microcontrolador. Um oscilador de clock determina a velocidade com que o microcontrolador opera.

 

O outro tipo de arquitetura usado nos microcontroladores é a de Harvard.

Na arquitetura de Harvard, tanto o programa como os dados podem ser armazenados no mesmo espaço da memória, o que facilita a operação dos circuitos de entrada e saída, mas usam barramentos diferentes, ou seja, circuitos de entrada e saída separados.

 

Von Neumann

Os primeiros computadores usavam um tipo de arquitetura chamada Von Neumann, nome em homenagem ao seu criador, um dos pioneiros da construção de computadores. Neste tipo de arquitetura, cada instrução só poderia ser executada depois que a anterior estivesse completada. Os computadores das arquiteturas mais modernas são paralelos, ou seja, duas ou mais instruções podem ser executadas ao mesmo tempo, se uma não depender da outra.

 

 

 

 

 

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

Opinião

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