1.1 Arduino
O Arduino é uma plataforma eletrônica open source, que tem como objetivo integrar hardware e software de maneira fácil, permitindo que pessoas com pouco conhecimento na área possam desenvolver as suas habilidades e aprendizado de maneira mais simples, aprendendo a eletrônica básica e programação. As placas do Arduino foram idealizadas para serem capazes de ler variáveis físicas, como entradas de luz em um sensor, o toque de um dedo em um botão ou até mesmo ler uma mensagem disponível em um meio virtual e transformá-la em uma saída, seja pelo acionamento de um motor, o ligar de uma luz ou de um LED. A sua programação é amigável e permite o envio de linhas de comando para o microcontrolador existente na placa, dizendo como atuar, o que fazer e como fazer.
E, para que tudo isso seja operacionalizado há a necessidade de interação entre o hardware e o usuário, que é feita por meio de uma linguagem de programação (Arduino), que é simples e objetiva (baseada na linguagem Wiring) e o Software Arduino (Integrated Development Environment – IDE, ou, em português, ambiente de desenvolvimento integrado), com base no ambiente de programação Processing (Arduino.cc, 2020). Desde sua criação, o Arduino tem sido usado em milhares de implementações, variando desde projetos simples até os mais complexos. Hoje o Arduino conta com uma grande comunidade mundial, envolvendo os próprios criadores, estudantes, programadores e profissionais, que reuniram suas contribuições a esta plataforma de código aberto e disponibilizaram uma grande quantidade de conhecimento e projetos acessíveis a todos, sejam iniciantes ou profissionais já em atuação.
O Arduino nasceu no Ivrea Interaction Design Institute como uma ferramenta simples e de fácil operacionalização para integração de hardware e software aplicados a prototipagem rápida e destinada a estudantes sem formação em eletrônica e programação. Ao alcançar uma comunidade maior, o Arduino começou a sofrer alterações para se adaptar aos novos desafios e necessidades, diferenciando sua oferta de placas simples a produtos com aplicações voltadas a Internet das coisas (IoT – Internet of Things), com várias aplicações integrando impressão 3D e ambientes automatizados. As placas do Arduino, bem como o seu software de desenvolvimento são de código aberto, permitindo assim, que usuários possam implementar sistemas e controles de maneira independente e, se necessário adaptar o sistema para controles mais elaboradores, como controle e monitoramento de ambientes produtivos (Arduino.cc, 2019).
1.2 Por que usar Arduino
O Arduino, por possuir uma interface simples e acessível aos usuários, tem sido usado nas mais diferentes aplicações, variando de simples projetos aos mais elaborados projetos e aplicativos. O software Arduino é de fácil entendimento e de implementação para usuários iniciantes, tornando-se uma linguagem bem estrutura nas mãos de usuários experientes, além de sua interface rodar em ambientes variados, como o Mac, Windows e Linux.
O Arduino se tornou uma ferramenta simples e completa, permitindo que professores e alunos o usem para implementar atividades didáticas de baixo custo e, que permitam um aprendizado voltado a interação teoria – prática, onde o aluno pode na prática comprovar a teoria baseado nos experimentos de classe voltados para a química, física, programação e eletrônica, dentre outras mais, além de iniciá-los nos fundamentos da robótica.
O Arduino é uma ferramenta de apoio para que os professores possam inovar no ensino aplicando a tecnologia em sala de aula. Hoje, qualquer pessoa, com o auxílio de um professor ou de aulas disponíveis online, podem começar a aprender os conceitos básicos de programação e eletrônica, bastando para isso um tempinho para se dedicar, vendo vídeos educativos ou participando de atividades didáticas, ou mesmo, compartilhando ideias online com outros membros da comunidade Arduino. Atualmente, estão disponíveis no mercado outros microcontroladores e plataformas de microcontroladores para o aprendizado e para a construção de projetos práticos e didáticos, como o Parallax Basic Stamp, o BX-24 da Netmedia, o Phidgets, o Handyboard do MIT – Massachusetts Institute of Technology, e muitos outros que oferecem funcionalidades bem parecidas. O Arduino, além de permitir um aprendizado simples e prático, também facilita a utilização dos microcontroladores voltados a projetos simples ou complexos, oferecendo vantagens para docentes, discentes e para os entusiastas interessados em aprender, aplicar e inovar através de uma ferramenta simples e objetiva (Arduino.cc, 2019). Basicamente, o Arduino possui:
- Baixo custo: suas placas são relativamente baratas, quando comparadas com outras plataformas de microcontroladores. A versão mais barata do módulo Arduino pode ser montada manualmente e até os módulos pré-montados custam menos de R$ 50,00.
- Multiplataforma: O IDE do Arduino é multiplataforma, ou seja, pode rodas em sistemas operacionais, como: Windows, Macintosh OSX e Linux.
- Ambiente de programação simples e objetivo: A IDE do Arduino é de fácil uso e amigável, principalmente para os iniciantes, além de permitir que usuários avançados aproveitem toda sua funcionalidade. Para os professores, a sua programação é baseada no ambiente de programação Processing, o que torna o aprendizado da linguagem mais simples e clara para o aluno.
- Código aberto e extensível: O software Arduino, como já dito anteriormente, é open source, ou seja, de código aberto e disponível para aplicações mais complexas envolvendo programadores mais experientes. A linguagem pode ser expandida por meio das bibliotecas C/C++, e os interessados em implementar aplicações mais complexas podem migrar para linguagens mais avançadas, no caso AVR-C na qual a programação se baseia. Da mesma forma, é possível adicionar o código AVR-C diretamente aos seus programas em Arduino.
- Código aberto e hardware extensível: As placas do Arduino são publicadas sob uma licença Creative Commons, para que projetistas de circuitos mais experientes possam implementar suas próprias versões do módulo, estendendo-o e aprimorando-o.
1.3 Componentes básicos
Os componentes básicos do Arduino são: Microcontrolador: é responsável por processar o software e manipular as portas de entrada e saída. É o cérebro do sistema e funciona como um computador dentro de um pequeno chip; Conector USB: é responsável pela conexão da placa ao computador, é por onde ocorre a transferência do programa implementado para dentro da placa (do circuito); Pino de Entrada e Saída de dados: é responsável por fazer com que a placa possa se comunicar com o ambiente externo. O Arduino possui 14 portas digitais, 6 pinos de entrada analógica e 6 pinos de saída analógica (PWM – Pulse Width Modulation); Pinos de alimentação: é responsável por fornecer diversos valores de tensão e são responsáveis por energizarem os componentes do projeto; Botão Reset: é o responsável por reiniciar ou resetar a placa; Conversor Serial-USB e LED TX/RX: é responsável pela comunicação entre o computador e o microcontrolador, sendo necessário um chip que faça a tradução de comunicação de um para o outro. O LED Tx/Rx acende quando alguma transmissão ou recepção está sendo realizada pela porta serial; Conector de Alimentação: é responsável por receber a fonte de alimentação externa e que pode ter uma tensão que varia de 7 a 20 volts e uma corrente mínima de 300 mA. Recomenda-se uma voltagem de 9 V; LED de Alimentação: indica se a placa está energizada e LED Interno: LED conectado ao pino digital (Vidadesilicio, 2020).
De uma maneira bem simples pode-se entender Arduino como sendo uma plataforma open-source de prototipagem eletrônica integrando hardware e software de maneira simples, flexíveis e de fácil uso, destinado as mais diversas áreas do conhecimento, principalmente a computação, eletrônica, a mecatrônica e robótica, mas podendo ser usada por qualquer pessoa interessada em criar objetos ou ambientes interativos, de maneira simples e rápida, ou seja, é uma plataforma composta basicamente por dois componentes: a Placa e a IDE. A placa pode ser entendida como o hardware do sistema que será estruturada para receber os projetos ou sistemas implementados e o IDE, que nada mais é que o software que irá operacionalizar o hardware, como um computador.
Atualmente, existem diversas placas de Arduino, mas para nossas implementações será usado o Arduino Uno. A Figura 1 mostra uma placa Arduino Uno.
Fonte: Fritzing, 2019
Figura 2 – Arduino Pinout Diagram
Fonte: https://www.circuito.io/blog/arduino-uno-pinout/
Figura 3 – Conhecendo o hardware 1
Fonte: Adaptado de Pictronics.com.br
Figura 4 – Conhecendo o hardware 2
Fonte: Adaptado de Pictronics.com.br
1.4 IDE Arduino
O IDE do Arduino é responsável pela implementação dos códigos e transferência desse código para o microcontrolador, que é responsável pelo processamento dos dados no Arduino, controlando o envio e recebimento de dados das portas digitais e analógicas de programação do micro controlador, ou seja, é o ambiente de desenvolvimento dos projetos confeccionados e que são gerenciados pelo Arduino. Uma das grandes facilidades da IDE é seu ambiente de programação que é baseada na linguagem C/C++.
O software, que é a IDE propriamente dito, ou seja, o ambiente de desenvolvimento do programa que será responsável por gerenciar e dar funcionalidade ao circuito, é implementada e executada em um computador (programação), conhecida como sketch, que após concluída será transferida via upload para a placa de prototipagem Arduino, através de uma comunicação serial. O sketch implementado pelo analista dirá ao sistema ou à placa o que deve ser executado durante o seu funcionamento.
A IDE possui uma linguagem própria baseada na linguagem C e C++, como já descrito. O Ciclo de programação pode ser compreendida da seguinte maneira: Conexão da placa a uma porta USB do computador; Desenvolvimento de um sketch com comandos para a placa; Upload do sketch para a placa, utilizando a comunicação USB; Aguardar a reinicialização, após ocorrerá a execução do sketch criado. A partir do momento que foi feito o upload, o Arduino não precisa mais do computador: o Arduino executará o sketch criado, desde que seja ligado a uma fonte de energia (entre 9 e 12 volts). Aguardar a reinicialização, após ocorrerá a execução do sketch criado.
A partir do momento que foi feito o upload, o Arduino não precisa mais do computador, o Arduino executará o sketch criado, desde que seja ligado a uma fonte de energia (entre 9 e 12 volts).