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Arduino Hack Day PROMOVA VOCÊ TAMBÉM UM ARDUINO HACK DAY!

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Academic year: 2021

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Arduino Hack Day

• Evento promovido por entusiastas, universidades e empresas

• Colaborativo e participativo

• Informações técnicas e troca de experiências

• Elétron Livre apoia a iniciativa emprestando materiais,

cedendo direito de uso de slides e ajudando na preparação geral do evento

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Sobre este Arduino Hack Day…

• Javaneiros Edition

• Organizado pelo Jeff - empresa Jera

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Agenda Padrão

• Introdução a Arduino

• Controlando tomadas pela Internet • Controle de motores com Arduino • Introdução a robótica

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Introdução ao Arduino

• Plataforma baseada em Atmel da AVR (ATMega168);

• Oferece um IDE e bibliotecas de programação de alto nível; • Open-source hardware e software

• Ampla comunidade

• Programado em C/C++ • Transferência de firmware via USB

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Histórico do Arduino

• Projeto criado na Itália pelo Mássimo Banzi no Interaction Design Institute Ivrea;

• Nasceu para complementar o aprendizado de programação, computação física e gráfica;

• Nasceu do Processing e Wiring;

• Processing é um ambiente e linguagem de programação para criar imagens, animação e interação;

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Muitas aplicações práticas

• Robôs

• Roupas eletrônicas

• Máquinas de corte e modelagem 3D de baixo custo; • Segway open-source

• Desenvolvimento de celulares customizados • Instrumentos musicais

• Paredes interativas

• Instrumentação humana • Circuit bending

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Vários tipos, vários fabricantes...

• Mega • Lilypad • Nano • Uno • Pro • Arduino BT • Freeduino • Severino • Program-ME

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Atmega168 / Atmega328: coração

• Características do ATmega 168: • RISC

• 20 MIPS (20 Milhões de instruções por segundo) • 16Kb Flash / 512 b EEPROM / 1Kb RAM Estática • 10.000 ciclos na Flash e 100.000 na EEPROM • 2 contadores / temporizadores de 8bits

• 1 contador / temporizador de 16bits

• 1 temporizador de tempo real com clock a parte • 14 portas digitais

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Características técnicas

• 6 canais PWM

• 6 conversores analógico/digital de 10 bits • 1 serial programável (USART)

• 1 interface SPI (Serial Peripheral Interface) • 1 interface serial a 2 fios (I2C)

• 1 watch dog timer programável • 1 comparador analógico no chip

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Conector USB

Alimentação externa: Até 12 volts

Regular 7085:

Recebe até 12 volts e regula para 5 volts

FT232RL

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ICSP

Para gravar bootloader ou programas/firmware

AtMega328 /168/8 Botão de reset

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Portas digitais 0 a 13

0 RX 1 TX = usada durante

transferência de sketch e comunicação serial com placa 2,4,7,8,12,13 = portas digitais convêncionais 3,5,6,9,10,11 = portas PWM GND AREF Referência analógica Padrão 5 volts

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Portas analógicas de 0 a 5

Podem funcionar como digitais de 14 a 19

VIN

Alimentação de entrada sem regulagem GND

5 volts 3.3 volts Reset

Portas analógicas 4 e 5

São as portas utilizadas para conexões via I2C / TWI.

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Shields: arquitetura modular inteligente

• Arduino estabeleceu um padrão de pinagem que é respeitado por diversas placas shield:

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Porta Digital Vs. Analógica

• Digital: trabalha com 0 e 1 na lógica binária.

– Digital do Arduino segue padrão TTL onde: • 0 a 0,8 volts = 0

• 2 a 5 volts = 1

• Analógica: valor lido é análogo a tensão.

– Referência de analogia é 5 volts • 0 volts = 0

• 2.5 volts= 512 • 5 volts = 1023

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Porta Digital Vs. Analógica

• Portas analógicas expressam valores de 0 a 1023 mas não são utilizadas para transferência de informações precisas • As portas digitais permitem que dados sejam tranferidos

em sequencia através de uma lógica ou protocolo binário • Portas digitais não conseguem comandar potência

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Porta PWM

• Uma porta híbrida: digital porém com modularização de

zeros e uns de forma que consegue

expressar uma idéia de potência;

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Na prática

• Ligamos componentes em portas digitais comuns, pwm ou analógica

• Fazemos leitura e escrita nestas portas afim de obter um dado ou um determinado comportamento

• Processamos os dados no microcontrolador • Alguns exemplos de componentes...

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Bússula

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LCD Touch

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SIM Reader

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Lojas de componentes

www.parallax.com

www.sparkfun.com

• www.makershed.com

• www.liquidware.com

• www.ladyada.net

• www.adafruit.com

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Programando para Arduino

• IDE pode ser baixada de www.arduino.cc

• A IDE foi desenvolvida com Java, portanto precisaremos de um máquina virtual 1.5 ou 1.6 instalada

• Funciona em Windows. Mac OS X e Linux (em alguns windows e mac pode ser necessário colocar driver) • Utiliza GCC + GCC Avr para compilação

(você pode também programar diretamente com GCC!) • A transferência para a placa é feita via USB pelo IDE; (mas também pode ser feita com gravadores ICSP!)

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Partes básicas do programa Arduino

• Temos que obrigatoriamente programar dois métodos:

void setup() { }

void loop() { }

• O setup é executado úma só vez assim que a placa for ligada e o loop terá o código de execução infinita

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Portas digitais e analógicas

• Na prática ligamos componentes em portas digitais e

analógicas e através do código Arduino, manipulamos as portas:

– pinMode(<porta>, <modo>): configura uma porta digital para ser lida ou para enviarmos dados;

– digitalWrite(<porta>, 0 ou 1): envia 0 ou 1 para porta digital – digitalRead(<porta>): retorna um 0 ou 1 lido da porta

– analogRead(<porta>): retorna de 0 a 1023 com o valor da porta analógica

– analogWrite(<porta>, <valor>): escreve em uma porta PWM um valor de 0 a 255

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Exemplo “pisca led” com Arduino

Esta conexão é bem simples somente para efeito de teste para piscar o led.

O correto é ligar um resistor usando uma protoboard.

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Exemplo “pisca led”

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output }

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE delay(500);

digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE delay(500);

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Exemplo “luz ambiente”

void setup() {

//Inicializando conexão com PC via FT232 - cabo Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int luz = analogRead(5); //LDR ligado na 5 //envia informações para o PC

Serial.println(luz); delay(500);

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DEMO

• Apresentação básica do Arduino IDE:

– Compilação; – Samples; – Upload; – Dicas

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Ligando componentes

Jumpers são utilizados para ligar ou desligar os componentes on-board Se todos os jumpers forem retirados, todas as portas são liberadas deixando o Program-ME funcionando como um

Arduino.

Você pode escolher o que ligar!

• Com o mapa de portas documentado a seguir, conseguimos saber qual jumper habilita qual componente e em qual

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Mapa de portas Vs. componentes

Código Porta Componente

L1 14 (igual analógica 0) Led

L2 Digital 1 Led L3 Digital 2 Led L4 Digital 3 Led L5 Digital 4 Led L6 Digital 5 Led L7 Digital 8 Led L8 Digital 6 Led L9 Digital 13 Led C1 Analógica 5 LDR

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Mapa de portas Vs. componentes

Código Porta Componente

Q2 Digital 7 Led Q3 Digital 6 Led Q4 Digital 18 Led Q5 Digital 17 Led

Chv1 Digital 0 Chave microswitch / botão Spk Digital 12 Speaker

Servo-1 Digital 10 Entrada servo-1 Servo-2 Digital 11 Entrada servo-2

JP7 Analógica 1 Entrada analógica / potenciômetro JP6 Analógica 2 Entrada analógica / potenciômetro

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Selecionando alimentação

• O Program-ME possui um jumper para seleção de alimentação USB ou fonte externa

• Toda vez que ligar componentes que possam consumir mais que 500ma, devemos alimentar com fonte externa!

• Durante os laboratórios de motores e relés lembre-se de mudar este jumper e alimentar com fonte externa

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Selecionando alimentação

Jumper Seleção

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Lab 1: primeiro contato com Program-ME / Arduino

• Ligar sua placa no cabo USB e no PC

• Verificar o jumper de alimentação configurando para USB se necessário

• Digitar o código a seguir no Arduino IDE • Clicar no botão de transferência de sketch

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Lab 1:Exemplo “pisca led”

void setup() {

pinMode(13, OUTPUT); //porta 13 em output }

void loop() {

digitalWrite(13, HIGH); //HIGH = 1 = TRUE delay(500);

digitalWrite(13, LOW); //LOW = 0 = FALSE delay(500);

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Lab 2 “luz ambiente”

void setup() {

//Inicializando conexão com PC via FT232 - cabo Serial.begin(9600);

}

void loop() {

int luz = analogRead(5); //LDR ligado na 5 //envia informações para o PC

Serial.println(luz); delay(500);

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Lab 3: desafio - luz ambiente e leds

Os leds de 1 a 9 Program-Me estão ligados nas portas 14,1,2,3,4,5,8,6,13.

Crie um programa que quanto menor a luz do ambiente mais leds ele acende e apaga em sequencia.

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Lab 4: hummm...

Ligue e desligue a porta 12 com diferentes intervalos de tempo...

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Resumindo...

• Arduino é um projeto simples, popular e acessível • Eletrônica e programação embarcada alto nível

• Na prática ligamos componentes nas portas analógicas e digitais e escrevemos programas que usam as portas

• Existem diversas bibliotecas que encapsulam a lógica de comunicação digital ou analógica: servo, motor de passo, Android, display LCD

• Ter portas digitais analógicas e pmw é um grande valor do microcontrolador utilizado

• A transfêrencia via USB e a ferramenta / IDE para programação funcionam em múltiplas plataformas • Open-source Hardware e Open-source software

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Ligando uma tomada no Arduino, como?

• Qualquer mínimo contato de um fio 110 no Arduino seria capaz de um show pirotécnico

• Isso acontece porque as portas digitais do Arduino

funcionam com 5v de conta continua e tomadas 110 e 220 trabalham com corrente alternada

• Mas porque tomadas (e a energia de uma residencia) trabalha com corrente alternada e não contina?

– A transmissão da energia com corrente continua para longa distancias é inviável!

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Relé como ponte entre Arduino e AC

• O meio de conexão entre seu Arduino e uma tomada pode ser um relé

• Um relé é um interruptor eletromagnético que quando conduzimos corrente o interruptor fecha um determinado contato

• Esses contatos podem estar normalmente abertos

(desconectados) ou normalmente fechados (conectados) • Siglas NO NC em ingles ou NA NF em portugues

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Mas... Como ligar um relé no Arduino?

• O Arduino (le-se Atmega) é um controlador de baixo consumo

• Suas portas digitais não fornecem mais de 40ma de corrente

• Para acionar o mecanismo eletromagnético da bobina do relé é necessário mais de 40ma de corrente

• Por este motivo precisamos ligar um transistor entre o Arduino e o relé

• Para ligar um Arduino no relé precisamos de um transistor, a menos que o relé seja muito pequeno

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E é só isso?

• Um fenômeno físico acontece em todo mecanismo eletromagnético quando é desenergizado

• É conhecido como tensão reversa

• Assim que tiramos a energia de um algo eletromagnético recebemos de volta um “choque”

• Com Arduino ligado em transistor que aciona o relé, o choque seria recebido pelo transistor

• Isso poderia ser fatal para o transistor!

• Usamos um diodo (componente que só deixa a corrente passar em um sentido) para proteger o transistor

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R1 e R2 = resistor 1k – para os transistores

R3 e R4 = resistor 330R – para os leds

D1 e D2 = diodo IN4007

Led1 e Led2 = led on / off

Fusível 1 e Fusível 2 = proteção

T1 e T2 = transistor para acionar bobina do relê

Relê 1 e Relê 2

Bornes para encaixe dos fios de acionamento da saída do

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Hacking Class

Ligando a placa na tomada

Devemos romper o fio de uma das fases;

Cortamos o fio e vamos ligar cada uma das pontas em um

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void setup() { pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(3, LOW); digitalWrite(2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(2, LOW); digitalWrite(3, HIGH); delay(1000); }

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1. Computador conectado na Web com servidor Java recebe request HTTP com solicitação para acionar a tomada

2. Este servidor web terá uma placa Arduino

ligada permanentemente. O servlet (ou equiv) vai acionar a placa via comunicação serial RS-232.

3. Para controlar as tomadas, vamos ligar a placa Tomad@ no Arduino. Essa placa possui um par de relês que podem ser ligados em uma tomada e acionados on / off através de sinal digital 0 ou 1

4. Vamos ligar uma tomada no relê da nossa placa ou então um aparelho qualquer.

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void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT); } void loop() { if(Serial.available() >0) { int incoming=Serial.read(); Serial.println("Recebendo dados"); Serial.println(incoming, DEC);

acionarRele(incoming);// seu protocolo }

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void acionarRele(int codigo) { if(codigo=65) { Serial.println("HIGH no rele 1"); digitalWrite(3, HIGH); } else if(codigo=66) { Serial.println("LOW no rele 1"); digitalWrite(3, LOW); } else if(codigo=67) { Serial.println("HIGH no rele 2"); digitalWrite(2, HIGH); } else if(codigo=68) { Serial.println("LOW no rele 2"); digitalWrite(2, LOW); } }

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response.setContentType("text/html;charset=UTF-8"); PrintWriter out = response.getWriter();

try {

byte[] dados = new byte[1]; dados[0] =

Byte.parseByte(request.getParameter("rele")); try {

Arduino.enviar(dados); ...

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outputStream = serialPort.getOutputStream(); serialPort.setSerialPortParams(9600, SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE); serialPort.notifyOnOutputEmpty(true); outputStream.write(bytes); serialPort.close();

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Vamos praticar?

• Com base nos slides, conecte a placa tomada no Program-ME e escreva um programa para chavear o relé

• Ao finalizar crie uma lógica com sensor de luz e relé • Opcional: criar um programa Web usando RXTX

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Tipos de motores

• Podemos qualificar motores em:

– Velocidade de rotação / RPM – Força

– Precisão

• Redutores são utilizados para transformar rotação em força • 3 principais tipos motores:

– Motor DC / CC: velocidade

– Servo-motor: precisão (e força!)

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Motor DC

• Motor simples para comandar que pode ter alta velocidade ou torque (conforme redução)

• Não tem precisão angular

• Podemos controlar a potência com PWM

• Assim como relé precisamos ligar em um transistor com diodo de proteção

• Para inverter a direção da rotação temos que inverter a polaridade

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Motor DC no Program-ME

• Podemos usar o transistor Q3 (porta digital PWM 6) • Ligamos o + no 12v e o – no borne do transistor

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Exemplo de código

#define Q3 6 void setup() {} void loop() { for(int x=0;x<255;x++) { analogWrite(Q3, x); delay(20); } for(int x=255;x>0;x--) { analogWrite(Q3, x); delay(20); } }

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Vamos praticar?

• Com base nos exemplos fornecidos e modelo de conexão, utilize o motor DC disponível com a placa controladora fornecida

• Nunca faça conexões com a placa ligada! • Revise o circuito!!

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Servo

• Motor com precisão angular • Fácil comando

• É um motor + redução + driver!

• Por padrão virar apenas de 0 a 180 graus

• Podemos hackear ou comprar servos full-rotation • Conexão super simples: GND 5v sinal digital

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Padrões de conexão dos Servos

Outra diferença está na conexão mecânica do eixo do servo, que no Hitec tem 24 dentes e no Futaba 25.

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Servo + LDR com Program-ME

#include <Servo.h> Servo myservo; void setup() { myservo.attach(10); } void loop() {

int val = map(analogRead(5),0,1023,0,179); myservo.write(val);

delay(15); }

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Vamos praticar?

• Ligar o servo na entada servo-1, o marrom (GND), deve estar para o lado do USB

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A palavra robô vem de robot que foi utilizada em uma peça de teatro de 1920, chamada R.U.R. (Rossum's Universal Robots), do tcheco Karel Capek. Aparentemente a palavra descende de ROBOTA, que em checo significa trabalho servil ou trabalho pesado.

Uma definição mais realista de robô, seria que ele é um manipulador reprogramável e multi-funcional projetado para mover materiais, partes, ferramentas ou dispositivos especializados através de movimentos variáveis programados para desempenhar uma variedade de tarefas.

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Podemos fazer um paralelo entre os robôs e os seres humanos baseados em 3 aspectos distintos:

• Sentidos

• Pensamentos • Ações

Nos seres humanos, iniciando pelos seus sentidos, temos um caminho que passa pelo tratamento do pensamento e termina ou resulta em ações. Podemos usar essa mesma linha de análise para os robôs, porém,

substituindo a nomenclatura por outra mais adequada: • Sentidos - > Sensores

• Pensamentos - > Processamento • Ações - > Atuadores

Dessa forma, um robô aciona seus atuadores, baseado em seu

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Todos os robôs têm em comum a realização de algum tipo de

movimento sendo que também podemos distinguir os robôs pela

sua capacidade de processamento, sendo assim poderíamos

classificar os robôs como:

Robô “inteligente” pode se mover de forma autônoma e segura

por um ambiente não preparado e atingir um objetivo ou efetivar

uma tarefa.

Robô não “inteligente” deve repetir de forma confiável a mesma

tarefa para que foi programado, porém sem enfrentar variações

no ambiente ou situações. Nesse caso, a definição fica mais

próxima de automação e pode distinguir entre um robô e uma

máquina de lavar.

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De uma forma geral temos os seguintes tipos de robôs:

• Manipuladores ou braços robóticos;

• Robôs móveis com rodas;

• Robôs móveis com pernas;

• Humanóides

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Manipuladores ou braço robótico

• Atualmente, a maior aplicação de robôs é na área industrial,

principalmente na produção de bens de consumo.

• Nessa área, o tipo mais

popularmente conhecido de robô é o braço robótico:

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Robôs móveis com pernas

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Robôs humanóides

• Entre os robôs

humanóides, o mais

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Madeira

Compensado / MDF: talvez o material mais fácil de trabalhar e

muito acessível. É isolante, o que diminui a preocupação com a

montagem. Pode ser colada e furada com facilidade. O

inconveniente é a sua relação peso / resistência.

Duratex: muito fácil de ser trabalhado, pode ser usado em alguns

casos, porém, é muito flexível para ser usado como chassi de

robôs maiores.

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Como controlar dois motores?

• Utilizando um circuito integrado auxiliar podemos controlar 2 motores

• O circuito proposto permite o controle de dois motores

• O circuito permite a inversão de polaridade, que no caso de motor DC, nos permite avançar e retroceder

• A solução pode ser feita com transistores em ponte H • Podemos usar um circuito de ponte H pronto

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Conexão

motores

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Definindo portas

#define MOTOR1_P 12 #define MOTOR1_N 11 #define MOTOR1_PWM 5 #define MOTOR2_P 8 #define MOTOR2_N 7 #define MOTOR2_PWM 6

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Comando para avançar ou retroceder

void andarFrente(int tempo, int intensidade) { sentido = 0; analogWrite(MOTOR1_PWM,intensidade*50); analogWrite(MOTOR2_PWM,intensidade*50); digitalWrite(MOTOR1_P,sentido); digitalWrite(MOTOR1_N,!sentido); digitalWrite(MOTOR2_P,sentido); digitalWrite(MOTOR2_N,!sentido); delay(tempo); }

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Vamos praticar?

• DOJO? • Ponte H? • 3-shield?

Referências

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