Substituindo Arduino por MCUpetee.cpdee.ufmg.br/ref/doc/relatorios/Relatorio...Programa de Educação Tutorial da Engenharia Elétrica Universidade Federal de Minas Gerais PETEE Relatório

Programa de Educação Tutorial da Engenharia ElétricaUniversidade Federal de Minas Gerais

PETEE Relatório

Substituindo Arduino por MCURelatório de Atividade

Arthur Henrique Dias Nunes, Maria Luiza de Andrade Alves

Petiano: Arthur Nunes

Resumo

As placas Arduino são úteis para prototipagem de projetos e são amplamente utilizadas nogrupo. No entanto, quando passada a fase de prototipagem e projeto estiver em sua fase final não érecomendado manter o uso dessas placas. Isso se deve pelo tamanho delas, pela maior possibilidadede mal contato, pelo preço e principalmente pelo fato de gastar uma placa por projeto - é quaseuma inutilização da mesma.

Como engenheiros e bons projetistas, devemos ser capazes de substituir a placa por um circuitoeletrônico menor, mais compacto, mais barato e com menor gasto energético. Substituir o Arduinopor uma placa de circuito impresso com um MCU é o primeiro passo para isso.

Sendo assim, neste relatório descrevemos o circuito mínimo necessário para usar um mi-crocontrolador e partes que podem ser adicionadas, como um circuito de gravação de código oude gravação de bootloader, suficiente até para criar a própria placa com um MCU. Além disso,também descobrimos como se programar um Arduino usando outro, conhecimento que pode serútil caso alguma placa não possa ser conectada com o computador.

I. Introdução

Esse projeto é fruto de uma necessidade de um outro: compreender como usar um MCUno lugar de um Arduino para simplificar, reduzir e economizar o circuito. Nesse caso, oMCU é o Microcontrolador Atmega328p. Ele é o mesmo de um Arduino Uno, com a mesmaquantidade e tipos de pinos. Esse MCU pode ser encontrado na versão PU ou na AU. Na PUo componente é tipo DIP e é encontrado acoplado na placa Uno de modelos mais comuns,como 28 pinos. Já o AU possui 32 pinos e é tipo SMD e, por isso, consideravelmente menor- cabe na ponta do seu dedo. Este último é encontrado em placas Uno de modelos maisnovos.

Neste relatório é usado como referência o Atmega328p, como descrito acima. Dessaforma, as montagens, pinagens, prototipagens e o produto final são específicos dessemicrocontrolador. Para a utilização de outros, como o Atmega2560 (o mesmo de umArduino Mega) podem ser necessárias adaptações.

Para o PETEE este projeto representa a capacidade de substituir todos os Arduinos usadosem outros projetos que estão na fase final. Assim, as placas podem ser usadas nas Oficinas e

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II TEORIA

para o desenvolvimento de novos projetos sem precisar desmontar os já finalizados, como jáaconteceu. Este projeto representa também um upgrade nos desenvolvimento do PETEE, éum ótimo conteúdo e será uma ótima prática para o grupo finalizar seus trabalhos da formaaqui proposta.

Para o grupo, é viável também substituir os projetos por uma placa Arduino Nano ouMini, que possuem ótimos preços e tamanhos mínimos. Ainda assim, construir sua própriaplaca com um microcontrolador possui duas vantagens: é possível compreender melhor ofuncionamento do software e hardware das placas e o consumo de energia é mínimo.

Curiosidades: DIP ou DIL são acrônimos para dual in-line package, dispositivos eletrônicoscompostos por um retângulo e duas linhas de pinos. Eles são geralmente montados emuma placa de circuito impresso (PCI) por through-hole technology, através de furos comoo nome sugere. Já SMD é um acrônimo para surface-mount device, dispositivos que sãosoldados em PCIs por surface-mount technology (SMT). Estes não necessitam de furos, sãoconsideravelmente menores e necessitam de mais cuidado no processo solda.

II. Teoria

Microcontroladores

Os MCUs (MicroController Units) podem ser resumidos a blocos que contém CPU (CentralProcessing Unit), memória e periféricos. Eles são muito usados em aplicações embarcadas,como é o caso de vários projetos do PETEE. Eles também facilitam o desenvolvimento desistemas com poucos componentes, possuem baixo custo e são de fácil gravação e regravaçãode programas, (Ricardo de Oliveira Duarte, ).

Geralmente, para o seu funcionamento, são necessários apenas um oscilador e uma fontede alimentação externos. No caso do Atmega328p não é diferente. No entanto, o osciladorexterno pode ser substituído por um oscilador interno, o que será explicado mais adiante epode-se adicionar um botão push para fazer reiniciar a programação que estiver gravada.

A pinagem do Atmega328p está na Fig. 1.

Figura 1: Pinagem Atmega328p. À esquerda, na versão AU e à direita na versão PU.

2 Universidade Federal de Minas Gerais

III PRÁTICA

Substituindo Arduino por MCU

Bootloader

Bootloader, carregador de inicialização em tradução livre, é um software intermediárioentre o hardware e a BIOS de um computador ou smartphone que auxilia o carregamentodo sistema operacional. No caso do MCUs, o bootloader é necessário para que ele seja pro-gramável e execute os códigos desenvolvidos pelos projetistas. Alguns microcontroladores,como os que vêm nas placas Arduino, já vêm com o bootloader ao comprá-lo. Em outros,é necessário fazer o processo de gravação, chamado de burn the bootloader. O processo ésimples e rápido. Ele também permite algumas configurações avançadas, como escolher afrequência do oscilador externo que será utilizado ou selecionar o oscilador interno.

É possível realizar o bootloader com uma placa Arduino e com a sua própria IDE. Nocaso da placa UNO devem ser usados os pinos digitais 10, 11, 12 e 13 . O pino 10 será ligadoao RESET do microcontrolador, o 11 ao MOSI, 12 ao MISO e o 13 ao SCK.

A placa deve ser conectada ao computador e na Arduino IDE deve-se selecionar Tools-> Board -> Arduino Duemilanove or Diecimila . Em seguida em Files -> Exemples ->ArduinoISP. Irá aparecer um código na tela e em deve-se realizar o procedimento degravação na placa. Ainda nesta etapa não são necessárias as conexões entre o Atmega ea placa Arduino. Voltando a IDE, agora com as conexões entre o MCU e a placa feitas,deve-se selecionar a aba Tools -> Programmer -> Arduino as ISP. Verifique se a opção foirealmente selecionada e em seguida selecione a aba Tools -> Burn BootLoader. Para saberque o processo foi concluído irá aparecer a mensagem Done burning bootloader.

III. Prática

Funcionamento

Para o circuito de funcionamento do microcontrolador são necessários os seguintescomponentes:

• 1 x Cristal Oscilador de 16MHz;

• 2 x Capacitores de 22pF;

• 1 x Capacitor de 100nF (opcional, mas recomendado);

• 1 x Resistor de 10kΩ;

• 1 x Botão tipo push (opcional);

• 1 x Fonte de alimentação de 5VDC.

Um terminal do oscilador deve estar ligado ao pino XTAL1 e o outro ao XTAL2. Cadaum desses terminais também deve estar ligado a um capacitor de 22pF e os capacitoresligados ao GND.

Em seguida, o pino de reset deve ser ligado ao resistor, que por sua vez deve ser ligadoao VCC. Isso porque o pino de reset é ativado em nível lógico baixo, desta forma evita queele seja acionado. Sendo assim, esse resistor desempenha a função de pull-up. Pode-se

PETEE 3


III PRÁTICA

adicionar um botão para dar o reset quando pressionado. Para isso o botão deve ter umterminal ligado ao pino e outro ligado ao GND.

Finalmente, a fonte de alimentação deve ser adicionada entre o VCC e o GND. Érecomendado que adicionar um capacitor de desacoplamento para eliminar ruídos vindosda fonte, isto é, um filtro passa-baixa. Uma montagem comum é um capacitor de 100nFentre VCC e GND.

O esquemático desta etapa está na Fig. 2. A montagem na protoboard pode ser vista naFig. 7.

A A

B B

C C

D D

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5

TITLE:Sheet_1 REV: 1.0

Date: 2020-05-17

Sheet: 1/1Drawn By: ArthurHDN

Company: Your Company

ATMEGA328P-AUU2

(PCINT19/OC2B/INT1)PD31(PCINT20/XCK/T0)PD42GND3VCC4GND5VCC6(PCINT6/XTAL1/TOSC1)PB67(PCINT7/XTAL2/TOSC2)PB78(PCINT21/OC0B/T1)PD59(PCINT22/OC0A/AIN0)PD610(PCINT23/AIN1)PD711(PCINT0/CLKO/ICP1)PB012(PCINT1/OC1A)PB113(PCINT2/SS#/OC1B)PB214(PCINT3/OC2A/MOSI)PB315(PCINT4/MISO)PB416 PB5(SCK/PCINT5) 17AVCC 18ADC6 19AREF 20GND 21ADC7 22PC0(ADC0/PCINT8) 23PC1(ADC1/PCINT9) 24PC2(ADC2/PCINT10) 25PC3(ADC3/PCINT11) 26PC4(ADC4/SDA/PCINT12) 27PC5(ADC5/SCL/PCINT13) 28PC6(RESET#/PCINT14) 29PD0(RXD/PCINT16) 30PD1(TXD/PCINT17) 31PD2(INT0/PCINT18) 32

16MHzX2

22pC5

22pC6

GND

GND

GND

VCC

10kR2

K2-3.6×6.1_SMDKEY2

12

GND

VCC

VCC GND100nC7

5VB1

1 2VCC GND

Figura 2: Esquemático do circuito de funcionamento.

Bootloader

A montagem desta etapa está na Fig. 3. Ela deve ser acrescida da montagem anteriorpara funcionar. Nesse caso, a fonte externa não será necessária se o bootloader alimentar osistema. (WR Kits, b).

A A

B B

C C

D D

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5


Date: 2020-05-17



ATMEGA328P-AUU3


HDR-F-2.54_2x3H2

1 23 45 6

GND

VCC

MISO

MO

SI

SCK

RESET

GND

VCC

Figura 3: Esquemático do circuito de bootloader.


III PRÁTICA


Gravação

Nesta etapa, será necessário adicionar:

• 1 x Capacitor 100nF;

• 1 x Módulo conversor USB-Serial FTDI, Fig. 9. Este pode ser substituído por umaplaca Arduino Uno sem o microcontrolador.

A montagem desta etapa está na Fig. 4. Ela deve ser acrescida da montagem anteriorpara funcionar. Nesse caso, a fonte externa não será necessária se o gravador alimentar osistema. (WR Kits, a), (educ8s.tv, ).

A A

B B

C C

D D

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5


Date: 2020-05-17



GND

VCC

100nC9

DTR

TXRX

VCCCTS

GNDHDR-F-2.54_1x6

CODE1

123456

ATMEGA328P-AUU5


DTR

TXRX

RESET

RESET

Figura 4: Esquemático do circuito de gravação.

DIY Placa Arduino

Com as descrições feitas até aqui, é possível criar a sua própria DIY placa "Arduino".Um esquemático desta etapa está na Fig. 5. Depois disso, foram adicionados conectorespara que seja possível usar quaisquer pinos desejados.

PETEE 5


III PRÁTICA

A A

B B

C C

D D

1

1

2

2

3

3

4

4

5

5


Date: 2020-05-17



GND

VCC

100nC9

DTR

TXRX

VCCCTS

GNDHDR-F-2.54_1x6

CODE1

123456

ATMEGA328P-AUU5


100nC10

GNDVCC

RESET

SCKMOSIMISO

VCC

GND

HDR-F-2.54_2x3H3

1 23 45 6

GND GND

22pC11

22pC12

16MHzX3

VCCGND

K2-3.6×6.1_SMDKEY3

12

10kR3

DTR

TXRX

GNDVCC

GND

VCC

RESET

MOSIMISO

SCKRESET

D3D4

D5D6

D8D7

D10D9

A6

A0A1A2A3

A7

A4A5

D2

100nC5

GND

AREF

AREF

HDR-M-2.54_1x10J312345678910

HDR-M-2.54_1x10J4

12345678910

HDR-M-2.54_1x3J5

3

12

HDR-M-2.54_1x3

J63 12A

6

D3D4

D5

D6

D7

D8

D9

D10

MO

SIM

ISO

SCK

VCC GNDD2

A0A1A2

A4A3

A5RESET

TXRX

A7

Figura 5: Esquemático do circuito da PCI.

Figura 6: Visualização do modelo em 3D.


IV EXPERIMENTOS E RESULTADOS


IV. Experimentos e Resultados

Experimento 1

O primeiro experimento consistiu em um circuito mínimo para a utilização do MCUAtmega328p. Ele foi montado em uma protoboard, e por isso foi usada a versão PU do MCU.Nele foi montada a instrução Hello World do Arduino: piscar um LED. A montagem foipequena e com o seu sucesso já é possível concluir que pode-se substituir alguns Arduinosde projetos que estão em fases finais do PETEE por apenas o MCU e alguns componentessimples descritos na Seção III. A montagem deste protótipo pode ser vista na Fig. 7.A programação do MCU nesse caso foi feita diretamente pela placa Uno, encaixando oAtmega328p-PU na placa.

Figura 7: Atmega328p-PU na protoboard.

Vale a pena reproduzi-lo em uma PCI, quando possível, nos projetos do grupo: será maisbarato, não ocuparemos uma placa Arduino desnecessariamente e o consumo de energia eo tamanho do circuito ficarão menores.

Experimento 2

Este também consistiu na programação de um MCU que estava montado em uma placa,como no anterior. No entanto, a novidade neste experimento é que a programação docontrolador não foi feita diretamente pela placa Uno. Neste caso, a placa foi usada comoum conversor FTDI, (Instructables, a).

Isso possibilitou que o MCU permanecesse na protoboard, ou em um circuito impressoque pode ser o caso das aplicações nos projetos do PETEE. As ligações foram simples:

• 5V da placa no VCC da protoboard;

• GND da placa no GND da protoboard;

• RESET da placa no RESET do MCU;

• TX da placa no TX do MCU;

• RX da plaxa no RX do MCU.

O resultado está ilustrado na Fig. 8.

PETEE 7



Figura 8: Usando uma placa Uno como um conversor FTDI.

Esse método precede o método mais geral de programação de um microcontrolador emuma placa: usar um conversor FTDI, (educ8s.tv, ). Esse conversor é um módulo USB-Serialpróprio para essa aplicação. Esse módulo está representado na Fig. 9.

Figura 9: Módulo FTDI.

Experimento 3

Para o terceiro experimento foi usado uma placa Arduino Nano. A novidade dele éa programação da placa: ela não foi feita diretamente usando um cabo de dados porquenão havia disponibilidade de um cabo com entrada micro USB no momento. Para isso, foiusada uma placa Uno para realizar a interface. Existem algumas formas de realizar esseprocedimento:




• Usando a placa Uno como um ICSP, (Arduino Addiction, );

• Usando a placa Uno como um FDTI, o mesmo usado no Experimento 2, (Instructables,a);

• Usando a placa Uno como um ICSP mas sem fazer modificações nas configurações daIDE. Essa foi a maneira utilizada na Fig 10, (Instructables, b).

Figura 10: Programação de um Arduino Nano

Experimento 4

Finalmente, o último experimento foi feito utilizando um módulo FTDI para a progra-mação de um MCU, Fig. 11, (educ8s.tv, ).

Figura 11: Programação de um MCU usando FTDI

PETEE 9


REFERÊNCIAS

V. Discussão

O conhecimento descrito neste relatório é aplicável nos projetos do PETEE. Futurosprojetos podem ser iniciados, dando continuidade a esse trabalho, como: (i) aplicaçãodesse conhecimento em protótipos do PETEE; (ii) estudo de outros microcontroladores; (iii)estudo de outras maneiras de se substituir placas Arduino em projetos finais; (iv) circuitosadicionais que podem ser inseridos em conjunto com os descritos aqui, como proteção dealimentação, conversor USB-Serial, dentre outros.

Recomendamos a substituição nos projetos do PETEE e o uso deste conhecimento nacriação de novos. Assim, os protótipos finais ficarão mais baratos, mais robustos, com menorgasto energético e mais sofisticados.

Referências

Arduino Addiction. Program Arduino Nano via Uno with ICSP. arduinoaddiction.blogs-pot.com/2016/02/program-arduino-nano-via-uno-with-icsp.html. Acessado em 01 Junho2020. 9

educ8s.tv. Arduino Uno (ATMEGA328P) on a breadboard Tutorial DIY project.youtu.be/npc3uzEVvc0. Acessado em 07 Maio 2020. 5, 8, 9

Instructables. Arduino Examples 2 Use an Arduino As a FTDI Programmer. instructa-bles.com/id/Arduino-Examples-2-Use-an-Arduino-as-a-FTDI-Progr/. Acessado em 01Junho 2020. 7, 9

Instructables. Programming Arduino Nano Using UNO. instructables.com/id/Programming-Arduino-Nano-Using-UNO/. Acessado em 01 Junho 2020. 9

Ricardo de Oliveira Duarte. Arquitetura e Organização de Computadores. 2

WR Kits. Faça uma PCI Arduino Standalone. youtu.be/RvBLmwF8JIE. Acessado em 05 Maio2020. 5

WR Kits. Gravando o Bootloader no Atmega328p. youtu.be/5u8OGlTwsAI. Acessado em 05Maio 2020. 4


http://arduinoaddiction.blogspot.com/2016/02/program-arduino-nano-via-uno-with-icsp.html

http://arduinoaddiction.blogspot.com/2016/02/program-arduino-nano-via-uno-with-icsp.html

https://youtu.be/npc3uzEVvc0

https://www.instructables.com/id/Arduino-Examples-2-Use-an-Arduino-as-a-FTDI-Progr/

https://www.instructables.com/id/Arduino-Examples-2-Use-an-Arduino-as-a-FTDI-Progr/

https://www.instructables.com/id/Programming-Arduino-Nano-Using-UNO/

https://www.instructables.com/id/Programming-Arduino-Nano-Using-UNO/

https://youtu.be/RvBLmwF8JIE

https://youtu.be/5u8OGlTwsAI

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