O Básico sobre os Microcontroladores – Parte 2 (MIC140)

Escrito por Newton C Braga

Este é o segundo artigo de uma série em que ensinamos nossos leitores o que é um microcontrolador, dando informações básicas para aqueles que desejam utilizar este componente em seus projetos. Trata-se de série de artigos ideais para quem tem conhecimento básico de eletrônica, mas não sabe nada sobre microcontroladores. É uma série ideal para STEAMers, estudantes, makers, e hobistas.

 

Os circuitos Externos

O circuito integrado que consiste num microcontrolador não consegue fazer tudo sozinho. Mesmo montado numa placa que recursos básicos como a fonte de alimentação, e alguns componentes de apoio básico ainda assim, o microcontrolador não consegue ser um projeto completo sem precisar de nada que o ajude.

Para ele ser usado em aplicações práticas existem duas possibilidades.

A primeira é fazer o projeto de aplicação em que programamos o circuito integrado numa placa externa de programação, como a mostrada na figura 1 e depois o colocamos na placa final em que ele tem os circuitos de apoio que ele necessita.

 


 

 

Nestas placas o microcontrolador pode ser encaixado e programado para ser usado soldado numa aplicação definitiva (veja o soquete especial usado na segunda).

Desta forma, temos um produto final que é um microcontrolador sendo usado num aplicativo.

A segunda é usar uma placa básica que contenha o microcontrolador já soldado ou não e os circuitos de apoio básico e ligar nas suas saídas os circuitos adicionais que fornecem os sinais de controle e também são ligados nos circuitos controlados, ou seja, os shields, conforme mostra a figura 2.

 


 

 

 

Esta segunda forma de se usar um microcontrolador é interessante para os criadores de projetos (makers) ou desenvolvedores, para aplicações didáticas e experimentais como no caso dos estudantes (STEMers).

As placas que contém os circuitos que fornecem sinais para o microcontrolador (sensores, receptores, etc.) são denominadas shields. As placas que contém um componente único, são denominadas breakout boards.

Trataremos delas no próximo capítulo.

 

 

Analisando as características

Para usar corretamente um microcontrolador, deve-se conhecer as características principais para verificar se casam com seu projeto ou aplicação.

Se você parte de uma ideia de aplicação, deve procurar entre os tipos disponíveis aquele que tem as características que você precisa.

Se bem que seja possível trabalhar com microcontroladores de tipos diferentes, é mais fácil se basear numa única família para seus projetos, pois você não apenas conhecerá melhor as características como a própria linguagem de programação.

O que precisamos saber de um microcontrolador para usá-lo corretamente.

 

a) Tensão de alimentação

A maioria dos microcontroladores é alimentada por tensões de 3,3 V ou 5V. Nas placas que incluem uma fonte de alimentação, um regulador de tensão é incluído, de modo que na entrada podemos ter uma faixa de tensões maior.

Por exemplo, o Arduino possui um regulador interno de o que significa que ele pode ser alimentado por tensões de 6 a 20 V. Na prática recomenda-se não seja menor 7 V e que no máximo seja de 9 V.

Quanto maior for a diferença entre a tensão de entrada e os 5 V de saída, maior será o calor gerado quando em funcionamento.

Pilhas ou pequenas fontes podem ser utilizados com correntes na faixa de 250 mA a 1 A. Na figura 3 exemplo de fonte para microcontrolador Arduino.

 


 

 

Nesta fonte temos 9 V obtido de pilhas.

 

Fontes simples com transformador de 250 mA a 1 A
Fontes simples com transformador de 250 mA a 1 A

 

 

Alguns microcontroladores, como o Arduino, possuem saídas de 3,3 V.

 

b) Consumo

O consumo depende também do que está sendo controlado pelo microcontrolador.

Levando em conta apenas o microcontrolador as correntes podem variar entre poucos miliampères para os tipos de baixo consumo até algumas dezenas de miliampères.

Deve-se somar a corrente das cargas controladas quando se dimensionar a fonte.

De qualquer maneira, tanto para a tensão como para o consumo deve-se sempre consultar as folhas de dados (datasheet) do microcontrolador utilizado.

 

c) Velocidade de processamento e capacidade de processamento

A velocidade de processamento dos microcontroladores depende do tipo é normalmente pode ser avaliada pela frequência do clock.

Entretanto, devemos estar atento para o fato de que a frequência do clock não indica exatamente quantas operações um microcontrolador faz por segundo, pois existem operações (instruções) que exigem mais de um ciclo de clock para ser realizadas.

Por exemplo, se para fazer uma soma o microcontrolador precisa carregar os números a serem somados em dois ciclos e depois fazer a soma num terceiro, temos uma operação que faz uso de 3 ciclos de clock.

Uma outra forma de se especificar a velocidade é em MIPS (Mega Instruções por Segundo) ou milhões de instruções por segundo.

Para aplicações simples em robótica, a velocidade não é importante.

Mais importante quando o projeto exige mais de um microcontrolador é a sua capacidade de processamento dada pelo número de Bits de performance.

Assim, os microcontroladores podem ser de 8 bits, 16 bits e 32 bits.

A quantidade de bits determina a complexidade das instruções que ele realiza.

 

d) Sinais de entrada

Os microcontroladores, conforme vimos tem pinos de entrada para a conexão de dispositivos de comando como chaves, sensores e circuitos que possam fornecer informações a serem processadas.

Para o caso dos pinos de entrada analógicas normalmente o limite é a tensão de alimentação, ou seja, eles podem receber tensões de 0 a 5 V, as quais são convertidas internamente para a forma digital e depois processadas.

Num microcontrolador como o Arduino Uno existem 6 entradas analógicas.

Para as entradas digitais, normalmente são usados os mesmos pinos de saída, ou seja, I/O (Input/Output) podendo chegar a 14 como no caso do Arduino.

Estes pinos podem receber sinais digitais TTL ou CMOS com tensão de 5 V.

Alguns desses pinos possuem o recurso de trabalhar com sinais PWM e sua quantidade varia, conforme o tipo de microcontrolador.

 

e) Sinais de saída

Para a saída temos pinos que podem fornecer correntes que dependem da tensão. Assim, para a tensão de 5 V a corrente máxima pode chegar a 20 mA , como no caso do Arduino.

Assim, o microcontrolador não poderá controlar nada que exija corrente maior sem o uso de um circuito adicional externo, ou seja, um Shield.

Para os microcontroladores que possuem saídas de 3,3 V a corrente pode chegar a 50 mA, como no caso do Arduino.

Para este microcontroladores existem pinos em que estão disponíveis sinais de 3,3 V.

Também podemos encontrar tipos em que existem saídas analógicas que podem ter as tensões disponíveis programadas. Tudo depende do tipo, devendo os datasheets ser consultados.

De qualquer forma, antes de ligar qualquer carga a uma saída de microcontrolador, deve-se consultar sua folha de dados para conhecer seus limites.

 

f) Memória

Na maioria das aplicações simples, os programas usados com os microcontroladores são pequenos. No entanto, sempre é importante saber qual é a capacidade de memória que o microcontrolador usado possui.

Esta quantidade é dada para os três tipos de memória que o microcontrolador possui: SRAM, Flash e EEPROM.

Para os tipos comuns 32 kB de memória Flash (onde fica o programa a ser executado) é um valor aceitável.

 

g) Recursos adicionais

Hoje, o projetista de dispositivos que usem microcontroladores podem contar com uma grande variedade de tipos que vão desde os mais simples com recursos básicos, até versões sofisticadas como muitos recursos adicionais importantes para aplicações específicas.

Um recurso que pode ser importante nas aplicações com bateria é o de levar o microcontrolador a uma condição de baixo consumo (wait ou iddle) quando ele fica inativo.

A corrente consumida pode cai a poucos microampères o que, para o caso de alimentação por baterias, significa uma enorme durabilidade.

Outros recursos incluem a conexão displays às placas para gerar valores numéricos ou mesmo frases em aplicações específicas, como geração de mensagens, como mostra a figura abaixo.

 

Shield de display para Arduino
Shield de display para Arduino

 

Pode-se ainda encontrar tipos especiais com placas de rádio (Wi-Fi, Bluetooth) para comunicação do dispositivo sem fio com celulares, internet, etc.

Estes recursos são importantes quando a placa é usada no desenvolvimento de aplicações sem fio.

Algumas placas didáticas contém uma extensão que consiste numa região com pontos isolados de cobreamento formando uma placa universal onde pode ser montados os circuitos externos que devem ser controlados.

Na figura a seguir temos uma placa desse tipo.

 


 

 

Um outro recurso importante que deve ser analisado num projeto é a interrupção. Existem pinos que permitem que a aplicação de um sinal externo interrompa a execução do programa.

 

Placas de desenvolvimento, aprendizado e avaliação

Um recurso muito interessante que os leitores que desejam trabalhar com microcontroladores podem contar são placas especificamente projetadas para se fazer trabalhos específicos com microcontroladores.

O primeiro grupo de placas é formado pelas placas de aprendizado ou starter kits (kits de iniciação) que consistem em conjuntos vendidos pelas principais empresas em que se tem uma placa de determinado microcontrolador já montada, com a fonte de alimentação e um conjunto de componentes para montagem de determinados aplicativos, como mostra a figura 6.

 

Starter kit para Arduino
Starter kit para Arduino

 

É incluído neste conjunto um livro ou apostila de aprendizado e o acesso ao programa usado com o cabo para conexão ao computador.

São conjuntos ideais para quem deseja aprender a usar um determinado tipo de microcontrolador e fazer projetos básicos com eles. Em alguns casos, uma matriz de contatos acompanha o kit para conexão do circuito desenvolvido ao microcontrolador.

Num segundo grupo temos as chamadas placas de avaliação (evaluation boards) que consistem em placas em que já vem uma aplicação programada e um circuito de teste que pode eventualmente ser modificado.

Esta placa possibilita ao desenvolvedor ter pronta uma aplicação para um microcontrolador e eventualmente fazer alterações do programa para a aplicação que deseja. Na figura 7 temos um exemplo.

 

Placa de avaliação disponível na Mouser
Placa de avaliação disponível na Mouser

 

Finalmente temos as placa de desenvolvimento (devellopment Boards) que são placas que contém um microcontrolador e regiões específicas para o desenvolvimento de projetos de uma determinada categoria.

Normalmente estas placas são acompanhadas de manuais e acessos à internet para programação. Na figura abaixo uma placa de desenvolvimento típica.

 


 

 

Consultando fornecedores, como a Mouser (www.mouser.com) o leitor poderá encontrar uma infinidade de tipos de placas de todos os tipos, para todas as famílias disponíveis de microcontroladores.

Será sempre importante estudar a aplicação antes para que, através das características desejadas, a placa específica possa ser adquirida.

Consulte a Mouser ( www.mouser.com ) para acessar uma ampla variedade de tipos de microcontroladores facilitando assim a escolhe do melhor tipo para seu projeto.