História e Aplicações do Arduino

História do Arduino Apresentação A plataforma Arduino tornouse bem familiar para pessoas com interesse em eletrônica e até mesmo para as que não entendiam eletrônica Diferentemente da maioria das placas de microcontroladores anteriores o Arduino não necessita de um hardware separado para carregar o novo código na placa Você pode simplesmente usar um cabo USB para carregar e ainda o software do Arduino usa uma versão simplificada do C tornandoo mais fácil de aprender a programar e fornece um ambiente que interpreta as funções do microcontrolador de um modo mais compreensível pelo o usuário Nesta Unidade de Aprendizagem você conhecerá a história do processo e das necessidades que levaram à criação do projeto Arduino os diferentes componentes que integram as placas e as aplicações das diferentes versões disponíveis do Arduino Bons estudos Ao final desta Unidade de Aprendizagem você deve apresentar os seguintes aprendizados Apresentar o histórico acerca da plataforma Arduino Diferenciar os componentes que são utilizados nas placas Arduino Analisar a aplicação das diferentes placas Arduino Desafio O Projeto Arduino democratizou o uso de eletrônica microcontrolada entre as mais diversas e diferentes áreas de atuação atuais Possibilitou que designers com conhecimento mínimo a nulo de eletrônica criassem objetos artísticos equipados com motores LEDs sensores etc e claro alguma placa de desenvolvimento do projeto Arduino Antes dessa excelente iniciativa esses recursos estavam nas mãos de técnicos engenheiros e empresas que com seu conhecimento específico e equipamentos dedicados trabalhavam com microcontroladores porém à margem da criação artística Você sendo um idealizador e facilitador de novas tecnologias coloquese na situação cujo objetivo é criar uma placa que pudesse ser utilizada por qualquer pessoa Descreva como seria o seu projeto quais as características técnicas que seriam abordadas e qual seria a característica pela qual você gostaria que seu projeto fosse reconhecido layout preço recursos etc Infográfico A abrangência que o projeto Arduino teve na comunidade global foi sem precedentes trazendo sistemas eletrônicos complexos para próximo de pessoas que nunca tiveram contato com o mais básico da eletrônica Essa globalização permitiu que o conhecimento se difundisse entre os usuários desde as aplicações mais simples até o uso mais avançado como por exemplo o controle de drones Confira no Infográfico a trajetória do projeto Arduino e como ele foi desenvolvido não por engenheiros e técnicos mas sim por designers e pessoas que buscavam novos recursos Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar ROBÓTICA Conteúdo do livro Arduino é uma plataforma de código aberto hardware e software criada em 2005 pelo italiano Massimo Banzi e outros colaboradores para auxiliar no ensino de eletrônica para estudantes de design e artistas Um dos objetivos principais foi criar uma plataforma de código aberto disponível para a comunidade o que ajudou e muito no seu desenvolvimento No capítulo História do Arduino da obra Robótica você verá a história e as motivações por trás do projeto compreenderá a funcionalidade de cada componente da placa e aprenderá sobre as possibilidades de uso dos diferentes modelos disponíveis Boa leitura Flávio Luiz Puhl Junior História do Arduino Objetivos de aprendizagem O que é o projeto Arduino O Arduino faz parte do conceito de hardware e software livre e está aberto para uso e contribuição de toda a sociedade O conceito do Arduino surgiu na Itália em 2005 com o objetivo de criar um dispositivo que pudesse ser utilizado em projetos ou protótipos construídos de forma menos dispendiosa do que outros sistemas disponíveis no mercado O Arduino foi projetado com a finalidade de ser de fácil entendimento e programação além de ser multiplataforma podendo ser configurado em ambientes Linux Mac OS e Windows Outro grande diferencial desse recurso é ser mantido por uma comunidade que trabalha na filosofia open source desenvolvendo e divulgando gratuitamente seus projetos sob licenças Creative Commons Creative Commons ou apenas CC é uma organização sem fins lucrativos que permite o compartilhamento e o uso de conhecimento por meio de instrumentos jurídicos gratuitos Com uma rede de funcionários um conselho e uma rede global de colabo radores o CC oferece licenças de direitos autorais gratuitas e fáceis de usar para criar uma maneira simples e padronizada de dar ao público a permissão de compartilhar e usar seu trabalho criativo O CC protege as pessoas que utilizam o trabalho de terceiros para que não tenham que se preocupar com violação de direitos autorais desde que respeitem as condições especificadas pelo dono do trabalho O equipamento do Arduino é uma plataforma de computação física trata se de um conjunto de sistemas digitais ligados a sensores e atuadores que permitem construir sistemas que percebam a realidade e respondam com reações Ele é baseado em uma placa com microcontrolador com acessos de EntradaSaída IO sobre a qual foram desenvolvidas bibliotecas com funções que simplificam a sua programação com sintaxe similar à utilizada nas linguagens C e C História do Arduino 2 Ao final deste texto você deve apresentar os seguintes aprendizados O Arduino é uma plataforma de hardware programável e flexível projetada para artistas designers makers e inventores de coisas Em muito pouco tempo a pequena placa azul do Arduino motivou uma nova geração de makers de todas as idades possibilitando a realização de projetos desde no ambiente universitário até em festivais de arte Os projetos baseados em Arduino cos tumam exigir pouca ou nenhuma habilidade de programação ou conhecimento de teoria eletrônica esse conhecimento geralmente é obtido ao longo do caminho EVANS 2011 Capitaneado por Massimo Banzi como uma modesta ferramenta para seus estudantes no Interaction Design Institute Ivrea IDII o Arduino gerou uma revolução internacional do tipo faça você mesmo ou DIY da sigla em inglês para do it yourself na eletrônica Você pode adquirir uma placa por um valor muito baixo a ideia é que custe o equivalente a jantar uma pizza em um restaurante ou construir o seu próprio a partir do zero todos os esquemas de hardware e códigofonte estão disponíveis gratuitamente sob licenças públicas Como resultado o Arduino tornouse o recurso open source mais influente do seu tempo O projeto tinha um desafio como ensinar eletrônica aos alunos rapidamente Era 2002 e Banzi havia sido contratado pelo IDII como professor associado para promover novas formas de fazer design interativo um campo nascente às vezes conhecido como physical computing Com um orçamento cada vez menor e tempo de aula limitado suas opções de ferramentas eram poucas Como muitos de seus colegas no início Banzi contou com o microcontro lador BASIC Stamp criado pela empresa californiana Parallax e utilizado por muitos engenheiros havia cerca de uma década Codificado com a linguagem de programação BASIC o Stamp era uma pequena placa de circuito essen cialmente uma fonte de alimentação um microcontrolador memória e portas de EntradaSaída para conectar hardware Mas o BASIC Stamp tinha dois problemas não tinha poder de computação suficiente para alguns dos projetos que os alunos tinham em mente e também era caro demais KUSHNER 2011 3 História do Arduino Apresentar breve histórico da plataforma Arduino Figura 1 Primeiro protótipo do Arduino quando o projeto ainda não tinha esse nome Fonte Kushner 2011 A proposta era que o Arduino consistisse em peças baratas que poderiam ser facilmente encontradas se os usuários quisessem construir suas próprias placas Um ponto fundamental da proposta era garantir que o equipamento seria plugandplay algo que alguém poderia tirar de uma caixa conectar em um computador e usar imediatamente Placas como o BASIC Stamp exigiam que os usuários utilizassem outros hardwares periféricos que adicionavam custo Com o desenvolver do projeto foram produzidas em caráter experimental algumas dezenas de placas Arduino já com um design muito próximo do que temos hoje no mercado Essas placas foram distribuídas aos alunos da IIDI e a aceitação foi muito boa diminuindo a curva de aprendizagem e possibilitando a aplicação quase que imediata de eletrônica um assunto que antes exigia conhecimento prévio História do Arduino 4 Diferenciar os componentes utilizados nas placas Arduino Hoje o Arduino conta com dezenas de versões para as mais diversas apli cações sejam elas industriais sejam comerciais para hobistas weareables Internet das Coisas etc Essa democratização da eletrônica microcontrolada foi uma revolução pois tornou acessível a todos o uso do estado da arte da tecnologia disponível atualmente O nome Arduino veio do nome de um pub italiano frequentado pelos criadores da plataforma chamado Bar di Re Arduino ou Bar do Rei Arduino A placa de desenvolvimento Arduino e seus recursos O Arduino é composto de duas partes principais placa Arduino que é o hardware que trabalhamos quando construímos os objetos e o Arduino IDE o software que executamos no computador Utilizamos o IDE para criar um sketch um pequeno programa de computador e fazemos upload para a placa Arduino O sketch é o programa que controlará o Arduino MASSIMO 2011 Existem inúmeras variações do Arduino para diferentes aplicações porém a mais utilizada é a versão Uno que está em sua terceira revisão Vamos ver agora as principais características do hardware do Arduino Uno SOUZA 2013 A placa pode ser alimentada pela conexão USB ou por uma fonte de ali mentação externa A alimentação externa é feita através do conector Jack com positivo no centro ou através do pino VIN em que o valor de tensão deve estar entre os limites de 7V a 12V para que tenha comportamento estável e não aqueça demais Note que o diodo D1 tem a função de proteger a placa de uma ocasional inversão de polaridade quando utilizando a fonte externa 5 História do Arduino Analisar a aplicação das diferentes placas Arduino Figura 2 Arduino Uno e esquema da fonte de alimentação Fonte Adaptada de Arduindo 201 USB Fonte externa 6VDC a 12VDC Regulador de tensão 5V Diodo de proteção de inversão de polaridade LED indicador de placa alimentada O Arduino ainda tem um fusível de proteção resetável de 500mA que protege a porta USB do computador em caso de sobrecorrente Também conta com um circuito para comutar a alimentação automaticamente entre a tensão da USB e a tensão da fonte externa Caso haja uma tensão no conector da fonte de alimentação externa conector Jack ou VIN e a USB esteja conectada a tensão de 5V será proveniente da fonte externa e a USB servirá apenas para comunicação com o PC Ao utilizar a fonte externa você deverá escolher entre utilizar o conector Jack ou o VIN Não utilize os dois ao mesmo tempo pois podem ocorrer danos à fonte Existe na placa um regulador de 33VDC Esse componente é responsável por fornecer uma tensão contínua de 33V para a alimentação de circuitos ou shields que necessitem desse valor de tensão Devese ficar atento ao limite máximo do valor da corrente que esse regulador pode fornecer que neste caso é de 50mA História do Arduino 6 Introdução O Arduino é uma plataforma aberta de prototipação eletrônica Por ser uma plataforma ele não é simplesmente um hardware é composto por hardware placa controladora e software ambiente de desenvolvimento ambos muito flexíveis e fáceis de usar Ele é uma das principais realizações de um movimento que só cresce no mundo o movimento makers composto por representantes de uma cultura que uniu o faça você mesmo à tecnologia para criar projetos em diversas áreas O componente principal da placa Arduino Uno é o microcontrolador Atmel ATmega328 um dispositivo de 8 bits da família AVR com arquitetura RISC que pode contar também com encapsulamento DIP28 ou SMD Ele tem 32kB de memória flash mas 512 bytes são utilizados pelo bootloader 2kB de memória RAM e 1kB de memória EEPROM A placa Arduino Uno opera em 16MHz valor do cristal externo que está conectado aos pinos 9 e 10 do microcontrolador O Arduino Uno tem 14 pinos de entrada e saída digitais e 6 pinos de entrada analógica Esses Pinos operam em 5VDC em que cada pino pode fornecer ou receber uma corrente máxima de 40mA Cada pino possui um resistor de pullup interno que pode ser habilitado por software A seguir são apresentadas as funções principais de alguns desses pinos ARDUINO 201 PWM os pinos 3 5 6 9 10 e 11 podem ser utilizados como saídas PWM de 8 bits por meio da função analogWrite Comunicação serial os pinos 0 e 1 podem ser utilizados para comunicação serial Esses pinos são ligados ao microcontrolador responsável pela comunicação USB com o PC Interrupção externa os pinos 2 e 3 podem ser configurados para gerar uma interrupção externa por meio da função attachInterrupt SPI os pinos 10 SS 11 MOSI 12 MISO e 13 SCK suportam comunicação SPI com o uso da biblioteca SPI LED no pino 13 existe um LED builtin Quando o valor do pino é HIGH o LED está ligado e quando o valor é LOW o LED está desligado I2C A4 ou pino SDA e A5 ou pino SCL Suporta comunicação I2C utilizando a biblioteca Wire Para fazer a interface com o mundo analógico a placa Arduino Uno possui 6 entradas com resolução de 10 bits Por padrão a referência do conversor AD analógicodigital está ligada internamente a 5VDC ou seja quando a entrada estiver com 5V o valor da conversão analógicadigital será 1023 Figura 3 Arduino Uno e sua estrutura Fonte Adaptada de Souza 2013 Conector para gravação do ATmega328 Caso utilize estes sinais no projeto tome cuidado pois estão conectados ao outro microcontrolador para gravação Os sinais em amarelo e vermelho indicam dois pinos que estão em curto LEDs de status da comunicação serial entra placa e computador LED conectado ao pino 13 do Arduino Conector para gravação ICSP do ATmega16U2 Conjunto microcontrolador e cristal que faz a interface USB com o computador Conjunto microcontrolador e cristal responsável pelo controle e a leitura de todos os pinos da placa Conector USB tipo B Conector DC Regula a tensão DC para 5V Impede que a USB do computador seja danifcada em caso de sobrecorrente acima de 500mA Verifca se a tensão DC está presente Se não estiver deixa que a tensão da USB alimente o circuito Regula a tensão DC para 33V Botão de reset Sendo um projeto open source todo o material sobre o Arduino pode ser encontrado na página do projeto Esse material inclui esquema elétrico lista de componentes layout de placa etc Se quiser ver todo o material disponível acesse o link a seguir e clique na aba DOCUMENTATION httpsgooglsLwqQg Projetos baseados no Arduino Apesar de ter modelos e versões amplamente divulgados existem iniciativas baseadas no Arduino que graças ao seu apelo de livre uso e criação foram desenvolvidas em paralelo e servem de fomento a novas comunidades Vejamos duas dessas iniciativas História do Arduino 8 O projeto original italiano do Arduino foi refinado por pesquisadores para se tornar mais leve acessível e barato Hoje a plataforma está bastante evoluída e pode ser executada em todos os sistemas operacionais sob licença Creative Commons para hardware e licenças GPLLGPL para software Isso significa que a partir de uma placa padrão de Arduino é possível criar outros controladores O mesmo vale para o software ou seja qualquer pessoa pode utilizar a plataforma para criar o que quiser Franzininho A Franzininho foi desenvolvida para as atividades dentro do FAB LAB Livre SP durante o Arduino Day São Paulo 2017 Na época chegouse à conclusão de que seria melhor fazer placas compatíveis com Arduino para as pessoas montarem e terem experiência com solda O desenvolvimento foi baseado no hardware das placas Arduino Gemma e Digispark placas open hardware e a nova placa foi batizada dando sequência à placa antecessora Franzino que também é open hardware e com a iniciativa DIY SOUZA 2018 Figura 4 Primeiro protótipo do Franzininho Fonte Santos 2018 Após o Arduino Day de 2017 o layout da PCB placa de circuito impresso foi melhorado e foi incluída a bandeira do Brasil Após um período trabalhando com a Franzininho V0RV1 foi desenvolvida uma nova versão com conector USB Essa nova versão resolveu dois problemas facilitou a fabricação e a orientação da placa ao conectála no computador 9 História do Arduino Neste capítulo você vai conhecer a história por trás da plataforma Arduino e suas motivações para que o projeto fosse tão aceito pela comunidade Também vai conhecer os componentes que fazem parte da placa de desenvolvimento e analisar algumas aplicações interessantes Figura 5 Franzininho V2 Fonte Souza 2018 O hardware Franzininho foi publicado com a licença CCSA40 Seu projeto é open hardware e permite que qualquer pessoa possa construir com ele estudálo modificálo distribuilo ou vendêlo A proposta é que todos os interessados possam montar o seu Arduino compatível entender como funciona o circuito fazer projetos e contribuir para o desenvolvimento de um projeto open source ArduSat Abreviação de Arduino Satellite o ArduSat é um nanossatélite open source baseado no padrão CubeSat A extensa gama de sensores Arduino a bordo provê aos alunos a oportunidade de criar seus próprios experimentos de satélite e coletar dados espaciais do mundo real usando a plataforma de prototipagem Arduino GEEROMS et al 2015 Quatro estudantes de pósgraduação da International Space University com campus central localizado em Estrasburgo França fundaram em 2012 a empresa NanoSatisfi Inc O lançamento bemsucedido da campanha de crowdfunding ArduSat no KickStarter resultou em um primeiro projeto do protótipo da carga útil ArduSat em agosto de 2012 e um primeiro teste de alta altitude em outubro daquele mesmo ano Em 3 de agosto de 2013 o veículo japonês de transferência de carga HTV4 foi lançado ao espaço pelo Centro Espacial Tanegashima no Japão para a Estação Espacial Internacional ISS carregando dois ArduSats entre as 36 toneladas de experimentos científicos História do Arduino 10 ArduSatX e ArduSat1 foram lançados ao espaço junto com o satélite vietnamita PicoDragon CubeSat em 19 de novembro de 2013 do módulo japonês Kibo na Estação Espacial Internacional ArduSatX e ArduSat1 são duas unidades de CubeSats com lados de 10 cm e uma massa total de aproximadamente 1 quilograma A minúscula espaçonave e os subsistemas de estrutura e potência baseiamse no padrão CubeSat uma especificação de código aberto criada em 1999 que define uma plataforma padrão de baixo custo para a pesquisa espacial Ambos os satélites transportam cerca de 20 sensores incluindo um espectrômetro óptico e uma câmera O cérebro do ArduSat1 é o ArduSat Payload Processor Module ASPPM Ele possui um processador supervisor que consiste em um ATmega2561 semelhante a um Arduino Mega mais 16 nós de processamento cada um rodando um ATmega328P como o Arduino Uno Figura 6 ArduSat Fonte Adaptada de Rodgers 2012 Antena dipolo cruzado Painel solar Placa de carga útil do ArduSat ASPPM Arduinos conjunto de sensor com câmeras Sistema de alimentação elétrica Estrutura CubeSat 1U Computador de controle de voo Transceptor UHF 11 História do Arduino ARDUINO Arduino uno rev3 S l 201 Disponível em httpsstorearduinoccusa arduinounorev3 Acesso em 4 abr 2019 EVANS B Beginning arduino programming EUA Apress 2011 GEEROMS D et al Ardusat an arduinobased cubesat providing students with the opportunity to create their own satellite experiment and collect realworld space data ESA SYMPOSIUM ON EUROPEAN ROCKET AND BALLOON PROGRAMMES AND RELATED RESEARCH 22 2015 Proceedings Disponível em httpspdfssemantics cholarorg5ab3ad770bf2a97d944bc064f6fbcc8dac11756epdf Acesso em 4 abr 2019 KUSHNER D The making of Arduino US 2011 Disponível em httpsspectrumieeeorg geeklifehandsonthemakingofarduino Acesso em 4 abr 2019 MASSIMO B Getting started with Arduino 2 ed S l OReilly 2011 RODGERS E ArduSat Kickstarter project puts an Arduinobased satellite up for rent S l 2012 Disponível em httpswwwthevergecom20126213108858ardusatkickstarter arduinosatellitecubesat Acesso em 4 abr 2019 SOUZA F Arduino UNO Brasil 2013 Disponível em httpswwwembarcadoscombr arduinouno Acesso em 4 abr 2019 SOUZA F Sobre o projeto franzininho Brasil 2018 Disponível em httpsfranzininho gitbookiofranzininhodocssobreoprojetofranzininho Acesso em 4 abr 2019 SOUZA F Conheça a Franzininho e monte seu próprio Arduino Brasil 2018 Disponível em httpswwwfilipeflopcomblogconhecaafranzininhoemonteseuproprio arduino Acesso em 4 abr 2019 Leitura recomendada EQUIPE BAÚ DA ELETRÔNICA Placas Arduino modelos de entrada diferenças e apli cações Rio de Janeiro 2018 Disponível em httpblogbaudaeletronicacombr placasarduino Acesso em 4 abr 2019 História do Arduino 12 Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem Na Biblioteca Virtual da Instituição você encontra a obra na íntegra Contéudo Dica do professor A comunidade Arduino é tão engajada e comprometida que todo ano realiza um evento global chamado de Arduino Day A cada ano que passa mais eventos são realizados e novas apresentações são feitas Nesta Dica do Professor você verá como é um Arduino Day Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Exercícios 1 Os recursos eletrônicos sempre foram utilizados e manipulados por um segmento bem restrito da sociedade engenheiros técnicos e amantes das ciências exatas mas graças aos avanços tecnológicos em específico da comunicação e troca de informações isso mudou Segundo a história do desenvolvimento do projeto Arduino quais foram as motivações do idealizador Massimo Banzi durante seu período na Interaction Design Institute Ivrea A Fácil entendimento fácil aplicação e acessível aos alunos B Foi motivado com o objetivo de ser um projeto de alcance global C O custo da placa deveria ser equivalente a uma pizza D Seus colegas foram seu motivo de maior empenho E Teve o objetivo de utilizar os recursos já em uso pelos alunos 2 Quando um projeto é desenvolvido ele tem como premissa básica ter uma funcionalidade específica e atender a um segmento da população Com o projeto sendo implementado inicialmente quem era o públicoalvo do projeto Arduino A Estudantes de engenharia B Artistas e designers C Hobbystas D Pessoas com conhecimento específico de eletrônica E Estudantes de ciências exatas Imagine uma situação que não é anormal onde precisamos manter o sistema de monitoramento funcionando de forma autônoma e eficiente e ocupando o mínimo de espaço possível 3 Utilizando o Arduino Uno para um projeto de monitoramento da temperatura ambiente qual é a melhor forma de mantêlo energizado A Utilizando a USB do computador B Utilizando a USB do computador e uma fonte externa C Por meio do conector de fonte externa com tensão entre 7VDC e 12VDC D Por meio do conector de fonte externa com uma fonte de 24VDC E Por meio do conector de fonte externa com uma fonte de 5VDC 4 Quando estamos energizando um hardware Arduino por meio do computador ou até mesmo por meio de uma fonte externa devemos ter certos cuidados na manipulação para não haver sobrecorrente e danificar algum dos componentes Com uma placa Arduino conectada a um computador o que acontecerá com o Arduino caso ocorra um consumo excessivo de corrente ao conectálo à porta USB A Haverá queima dos componentes da placa B Haverá queima da porta USB C A placa irá funcionar normalmente D O fusível resetável irá proteger o Arduino e o computador E A placa apresentará intermitência no funcionamento 5 Os sistemas microcontrolados têm uma relação muito linear entre a sua alimentação elétrica e a capacidade de realizar operações por segundo sempre obedecendo os limites máximos conforme as folhas de dados dos componentes Considerando um Arduino UNO conectado à USB do seu computador qual é a frequência de operação dele A 4MHz B 6MHz C 8MHz D 12MHz E 16MHz Na prática O Arduino possibilitou acesso das mais diversas pessoas a uma eletrônica que antes era restrita a ambientes de engenharia e que necessitava de muito conhecimento prévio Neste Na Prática você verá o Arduino sendo aplicado em wearables ou seja em aplicações que são incorporadas à vestimenta nossa do dia a dia Conteúdo interativo disponível na plataforma de ensino Saiba Para ampliar o seu conhecimento a respeito desse assunto veja abaixo as sugestões do professor Como o Arduino está transformando a imaginação em open source Veja uma apresentação de Massimo Banzi o idealizador do Arduino sobre como se está em uma era diferenciada de ideias colaborativas Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Documentário sobre o Arduino Assista a um documentário que conta pelo próprio fundador a história e as motivações do projeto Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar Ideias com Arduino Assista a este vídeo que explica algumas das muitas possibilidades de aplicação do Arduino Aponte a 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