Arduino ou microcontroladores para todos
Arduino ou microcontroladores para todosData de publicação: 24-11-2020 🕒 9 min de leitura
Todos os entusiastas da eletrónica pelos menos já ouviram falar da Arduino, uma vez que, graças às suas características únicas, ganhou uma enorme popularidade. Hoje em dia, a empresa, fundada e desenvolvida por entusiastas, dita os padrões de conectores e distribuição de sinais para grandes empresas: fabricantes de microcontroladores ou placas de avaliação. O que é a Arduino e porque se tornou um padrão informal em educação e criação de protótipos? E quais os tipos de Arduino? O que pode fazer com a Arduino e como usá-la para as suas necessidades? Descubra neste artigo.
Arduino: a escolha perfeita para programadores principiantes
Se vai aprender a programar microcontroladores, então a plataforma Arduino é uma boa escolha. Também é uma boa escolha se for apaixonado por eletrónica, tiver uma ideia e quiser construir rapidamente um dispositivo baseado num microcontrolador e periféricos padrão, como: visores alfanuméricos, gráficos, LED, LCD com ou sem botões associados, sensores, módulos de transmissão, controladores para motores ou solenoides e muito, muito mais. Também vale a pena recorrer à plataforma Arduino se quiser produzir uma série curta de dispositivos cujo “coração” será um microcontrolador, que não colaborará necessariamente com os módulos de expansão Arduino.
Arduino: o que é?
O que é a Arduino? Não é só uma placa de microcomputador (que costuma dizer “Arduino”); é uma plataforma completa baseada em hardware e software fáceis de usar. É importante destacar que é uma plataforma de código aberto, o que significa acesso a documentação detalhada e gratuita, bem como a diagramas e fontes de programas. Normalmente, um dispositivo baseado na plataforma Arduino é composto por uma placa base com um microcontrolador e um módulo de extensão anexo, o chamado shield.
A maioria das placas base Arduino tem uma interface USB para programar com um PC. Em algumas placas, os sinais do microcontrolador destinam-se às fichas a que estão conectados os módulos de expansão, e noutras aos pontos de soldadura. Pelo facto de estas placas serem módulos em miniatura, algumas pessoas referem-se a elas coloquialmente como “microcontroladores Arduino” ou “microcomputadores Arduino”.
Figura 1. Módulo de extensão com visor LED e botões. Com a sua ajuda, pode facilmente fazer um relógio.
Programação em Arduino
A sintaxe da linguagem de programação da Arduino é semelhante à linguagem C++ e tornou-se muito popular entre os programadores de microcontroladores. A vantagem do ambiente de desenvolvimento Arduino é a disponibilidade de inúmeras bibliotecas prontas para facilitar a criação do programa e a enorme quantidade de aplicações prontas para usar desenvolvidas por utilizadores desta plataforma em todo o mundo. É importante destacar que o ambiente de desenvolvimento está amplamente disponível, sem importar para que fins será utilizado. Do mesmo modo, se não quiser comprar a placa base, poderá construí-la você mesmo com base na documentação disponibilizada.
Uma breve história da criação da Arduino
A ideia da Arduino nasceu em Itália, no Ivrea Interaction Design Institute. A plataforma Arduino ia ser concebida para protótipos rápidos e programação de aprendizagem por parte de estudantes que não tinham experiência anterior com eletrónica e programação. Os criadores da Arduino tiveram uma grande ideia, porque funcionou não só na universidade, mas também fora dela, ajudando muitas pessoas a aprender ou implementar ideias rapidamente.Depois de a plataforma Arduino alargar o seu horizonte para além das universidades e ser adotada por um grupo muito mais vasto de utilizadores, teve de se adaptar a novos desafios e satisfazer novas necessidades. Ao mesmo tempo, a oferta de placas base foi significativamente diversificada, incluindo não só unidades simples de 8 \ bits, mas também mais extensas, destinadas a dispositivos IoT, dispositivos portáteis, impressoras 3D e outras aplicações ainda mais exigentes. Todas as placas Arduino se baseiam nos princípios da licença de código aberto, o que permite aos utilizadores criá-las e adaptá-las a necessidades específicas. O software também é de código aberto e foi desenvolvido graças ao trabalho de utilizadores em todo o mundo.
Porquê a Arduino?
Até há uns anos, cada fabricante de placas de avaliação ou microcontroladores tinha o seu próprio padrão de conectores, mas hoje em dia a maioria adapta-se ao “padrão” informal introduzido pela Arduino. Isto deve-se provavelmente, além da popularidade da própria Arduino, à disponibilidade de uma grande quantidade de módulos de expansão (os chamados shield – aqui). Se os pinos da placa de avaliação oferecida forem compatíveis com os da Arduino, o utilizador tem a oportunidade de utilizar livremente a enorme oferta de módulos de expansão para Arduino, o que permite obter de forma fácil, rápida e económica a funcionalidade esperada do protótipo. Também oferece uma vantagem aos fabricantes da placas de avaliação, já que estes podem concentrar-se na aplicação do microcontrolador propriamente dita, utilizando apenas um conjunto mínimo de componentes colaborativos e reduzindo assim o seu preço final.
Figura 2. Módulo de extensão com modem GSM, útil para construir um alarme com notificação.
Graças à sua facilidade de uso, disponibilidade e resposta às várias necessidades dos utilizadores, entre os projetos implementados com o uso da Arduino encontram-se soluções para inúmeros problemas e implementações de praticamente qualquer dispositivo. Pode utilizar estes projetos diretamente ou como projetos de referência. O software de desenvolvimento de aplicações (Arduino IDE) é muito fácil de usar para principiantes, mas é também flexível e oferece muitas possibilidades aos utilizadores avançados. Além disso, está disponível para utilizadores com diferentes preferências de hardware: pode ser executado nos sistemas operativos Mac OS, Windows e Linux.
É impossível contar todos os usos da Arduino, uma vez que esta é igualmente utilizada por profissionais e amadores. Os professores e estudantes usam a Arduino para construir instrumentos de medição económicos, não só para grandezas elétricas, mas também para utilização em experiências químicas e físicas. Nas escolas de todo o mundo, a Arduino é utilizada para aprender programação e robótica. Os desenhadores projetistas e arquitetos usam a Arduino para construir protótipos de edifícios interativos, os músicos e artistas usam-na para criar instalações de arte interativas e experimentar novos tipos de instrumentos musicais. Para muitas pessoas, a plataforma Arduino é uma ferramenta-chave para aprender novas habilidades. Qualquer um pode usá-la: crianças, autodidatas, artistas, programadores, criadores de dispositivos, etc. Qualquer um pode construir um dispositivo seguindo as instruções passo a passo do kit ou trocando ideias online com outros membros da comunidade Arduino.
Que Arduino devo escolher?
Normalmente, para fazer um protótipo ou dispositivo construído na plataforma Arduino, precisamos de uma placa base equipada com um tipo de microcontrolador adequado às nossas necessidades, um módulo de extensão, uma sobreposição shield, software Arduino IDE, cabo USB, fonte de alimentação e PC. Atualmente, o ecossistema inclui vários tipos de Arduino, com diferentes microcontroladores e uma grande quantidade de módulos de expansão. Nas figuras 1-3 são apresentados exemplos de módulos.
Consoante o tipo, as placas Arduino estão equipadas com conectores: fichas de pinos dourados ou pontos de soldadura, que podem ser usados não só para conectar a placa, mas também para a conectar à PCB dos dispositivos integrados, se o microcomputador Arduino atuar como unidade central. Cada um tem um carregador de arranque armazenado na memória do microcontrolador, que é usado para programar o processador “in-circuit” (sem dessoldar do sistema) simplesmente selecionando opções do menu IDE da Arduino.
Figura 3. Módulo de extensão com interface Ethernet, que pode ser útil para dispositivos de domótica.
A lista atualizada de placas base Arduino é apresentada na tabela. A maioria usa microcontroladores com núcleo AVR, mas também pode encontrar processadores Intel e SAM21 com núcleo ARM Cortex-M0 +. Cabe referir que a tabela não inclui placas equipadas com processadores Espressif Systems (p. ex., o popular ESP8266) e que as placas também podem ser programadas usando o IDE da Arduino. Ao escolher uma PCB para a aplicação, deve guiar-se pelas capacidades do microcontrolador nela montado. As unidades individuais diferem no tamanho da memória disponível, na velocidade do núcleo e nos equipamentos com blocos funcionais, como interfaces, temporizadores, geradores PWM, etc. Também vale a pena prestar atenção aos pinos da placa: alguns deles não têm conectores, porque foram concebidos para serem soldados.
Tabela 1: Lista de placas base Arduino atualmente disponíveis no mercado
| Tipo de placa Arduino | Tipo de processador | Tensão IO / de alimentação [V] | Frequência de tempos CPU [MHz] | Entradas / Saídas analógicas | Entradas-saídas digitais / Número de PWM | EEPROM [kB] | SRAM [kB] | Flash [kB] | USB | UART |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LilyPad USB | ATmega32U4 | 3,3/3,8…5 | 8 | 4/0 | 9/4 | 1 | 2,5 | 32 | - | Micro |
| Mega 2560 | ATmega2560 | 5/7…12 | 16 | 16/0 | 54/15 | 4 | 8 | 256 | Tipo B | 4 |
| Micro | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| MKR1000 | SAMD21 Cortex-M0+ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8/4 | - | 32 | 256 | Micro | 1 |
| Uno | ATmega328P | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14/6 | 1 | 2 | 32 | Tipo B | 1 |
| Zero | ATSAMD21G18 | 3,3/7…12 | 48 | 6/1 | 14/10 | - | 32 | 256 | 2×Micro | 2 |
| Due | ATSAM3X8E | 3,3/7…12 | 84 | 12/2 | 54/12 | - | 96 | 512 | 2×Micro | 4 |
| Leonardo | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| Nano | ATmega168; ATmega328P | 5/7…9 | 16 | 8/0 | 14/6 | 0.512; 1 | 1; 2 | 16; 32 | Mini | 1 |
| MKRZero | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3 | 48 | 7 (ADC 8/10/12 bit) / 1 (DAC 10 bit) | 22/12 | - | 32 kB | 256 kB | Sim | 1 |
| Yun Rev 2 | ATmega32U4; Atheros AR9331 | 5; 3,3 V | 16; 400 | 12/0 | 20 | 1 | 2,5; 64 MB DDR2 | 32; 16 MB | Sim | 1 |
| Uno WiFi Rev2 | ATmega4808; Módulo de rádio u-blox NINA-W102 | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14 | 0,256 | 6 | 48 | Sim | 1 |
| Nano 33 IoT | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/3,6…21 | 48 | 8/1 | 14 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| Nano 33 BLE | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1 MB | Sim | 1 |
| Nano 33 BLE Sense | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1 MB | Sim | 1 |
| MKR1000 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR1010 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR Vidor 4000 | SAMD21 (Cortex-M0+); FPGA Intel Cyclone 10CL016 | 3,3/5 | 48; 48…200 | 7/1; -/- | 8; 22 | - | 32; 8 MB SDRAM | 256; 2 MB | Sim | 1; 7 |
| MKR Fox 1200 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de rádio Microchip Smart RF ATA8520 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR GSM 1400 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de rádio u-blox SARA-U201 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR NB 1500 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de rádio u-blox SARA-R410M-02B | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR WAN 1310 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de rádio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| MKR WAN 1300 (LoRA Connectivity) | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de rádio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sim | 1 |
| Portenta H7 | STM32H747XI (Cortex-M7+M4); Módulo de rádio Murata 1DX WiFi e Bluetooth 5.1 | 3,3/5 | 480 | 7/2 | 15/8 | - | 1 MB | 2 MB | Sim | 4 |
Lista de placas base Arduino atualmente disponíveis no mercado - PDF
Arduino Nano, Arduino Uno e outras
As placas económicas e um ambiente de desenvolvimento Arduino gratuito são uma excelente alternativa a muitas plataformas de avaliação disponíveis no mercado, oferecidas, por exemplo, pelos fabricantes de microcontroladores. A disponibilidade de documentação e fontes abertas permite-lhe modificar a plataforma por sua conta e ajustá-la às suas necessidades. As placas Ready Arduino estão disponíveis a um preço bastante acessível. Um bom ponto de partida para principiantes é a Arduino Uno. Foi equipada com um conector USB típico, com o qual pode conectar a placa a um PC e transferir facilmente o software com um único clique. O microcontrolador ATmega328 montado na placa tem memória suficiente e recursos de hardware para implementar muitas aplicações de controlo. A frequência de relógio do núcleo é de 16 MHz, o que dá uma duração do ciclo da máquina de 62,5 ns, e o núcleo AVR utilizado no microcontrolador realiza a maioria das instruções num único ciclo da máquina. À medida que for ganhando habilidade e experiência, pode escolher mais variantes, como Arduino Due, Mega 2560 ou outras. Mas, antes disso, vale a pena prestar atenção a um modelo em particular: a Arduino Nano, que é uma versão em miniatura de sistemas maiores, sem, por exemplo, um estabilizador de tensão e uma porta USB de tamanho normal. A Arduino Nano, porém, está equipada com o mesmo processador de 8 bits que a placa Uno, com uma impressionante redução de tamanho. No caso da série Nano, a dimensão da PCB é de 18 mm por 45 mm. É importante destacar que, apesar da mudança de hardware, ainda é utilizado o mesmo ambiente de desenvolvimento.
Normalmente, a programação do microcontrolador é realizada através da interface USB. Para que a interface USB Arduino funcione corretamente com o sistema operativo que utiliza, será necessário um controlador apropriado, instalado pelo sistema operativo depois de conectar a placa e enviar o software de início do microcontrolador, o chamado gestor de arranque. Originalmente, o IDE da Arduino era escrito para Windows, pelo que a maioria dos carregadores de arranque está disponível para Windows, e apenas alguns deles estão adaptados para outros sistemas operativos. Se for trabalhar num computador equipado com MacOS ou Linux, antes de decidir comprar uma placa base Arduino específica, convém comprovar se é compatível com o sistema que utiliza.
Figura 4. Arduino Uno R3 recomendado para principiantes.
Finalmente, cabe referir a área virtual dos utilizadores da Arduino, disponível em https://www.arduino.cc/. Aqui é possível encontrar versões atuais de programas, inúmeras aplicações, um foro de utilizadores e uma base de conhecimento, bem como diagramas e parâmetros elétricos das placas Arduino, descrições e especificações de parâmetros, incluindo a descrição da Arduino Uno R3 (figura 4) recomendada para principiantes. Oferecemos muitos módulos de extensão, e estão disponíveis noutros sites vários exemplos de aplicações; pode encontrá-los através dos motores de busca ou grupos de discussão sobre programação e eletrónica.
