O Natal está aí! Chegamos a mais um final de ano! Em mais algumas semanas será hora de montar a árvore de natal, colocar os enfeites e efeitos "luminosos". Que tal usar, ao invés daquelas tradicionais lâmpadas "pisca-pisca aleatórias" muito conhecidas do leitor, um circuito microcontrolado com LEDs bicolores (vermelho e verde) e também azuis com efeitos muito diferentes dos tradicionais "pisca-pisca"?
Nota: O artigo é de uma Eletrônica Total de 2004.
A PROPOSTA
O leitor já deve conhecer os velhos "pisca-piscas" para árvores de natal oferecidos no comércio, compostos por pequenas lâmpadas coloridas que piscam aleatoriamente, sem qualquer tipo de controle sequencial ou outro qualquer. Elas apenas piscam, com velocidade variada!
A montagem que propomos neste artigo permitirá ao leitor personalizar sua árvore de natal de maneira única. O circuito controla 24 LEDs bicolores (ou 48 LEDs comuns) e ainda mais 5 LEDs azuis (para a montagem de uma estrela no alto da árvore, por exemplo). Os "efeitos" são obtidos via software e, portanto, completamente diferentes dos conseguidos com os "pisca-piscas" comuns. O leitor perceberá que existe uma "lógica" definida no piscar dos LEDs, o que permite distribui-los de forma a se obter efeitos muito diferentes dos habituais.
E o leitor mais atento irá notar que este não é apenas um circuito para fazer LEDs piscarem em uma árvore de natal. O circuito também poderá ser utilizado em vitrines, painéis publicitários, e muitos outros. Portanto, temos um circuito muito versátil que após a "passagem do final de ano" ainda poderá ser utilizado com outros objetivos.
O CIRCUITO
Na figura 1 o leitor tem o circuito elétrico do controle de LEDs. Observando o circuito vemos que todo o controle é feito por um microcontrolador P1C16F628A da Microchip® (CL1).
Os Cls 2, 3, 4, 5, 6 e 7 são "Shift Registers" da família TTL (74HC595). Utilizando estes Cls foi possível ampliar o número de I/Os do microcontrolador (apenas 13 no total). Assim, a partir de algumas I/Os "naturais" do microcontrolador (utilizamos 9 no controle dos Shift Registers), geramos outras 48 I/Os "virtuais".
Os "Shift Registers" operam da seguinte maneira: Inserimos um bit qualquer em sua entrada "SER". Com um pulso de "clock" em "SRCLK" (rampa de subida) inserimos este bit em "QA". Mais um pulso de "clock" e o bit é transportado de QA para QB, e assim sucessivamente até QH. Desta maneira podemos inserir um byte (8 bits) serialmente através do pino "SER" (bit por bit) disponibilizando-o através de QA a QH. Temos então um Cl com entrada serial e saída paralela.
O pino "SRCLR" do "Shift Register" é um pino de "reset". Quando ativado (nível lógico "0") as saídas QA a OH são limpas. No circuito estes pinos são mantidos em nível lógico "1", através dos resistores R49, R50, R51, R52, R53 e R54, para evitar o "reset" dos Cls "Shift Register".
O pino "RCLK" permite transferir, com um pulso, o conteúdo dos "flip-flops" internos dos "Shift Registers" para o "latch" de saída (transferência na rampa de subida do pulso). Temos então o "travamento" do dado na saída. O mesmo só será modificado após um novo dado ser inserido nos "flip-flops" e transportados para o "latch".
O pino "G" é o pino de habilitação do Cl. A habilitação é negada através dos resistores R55, R56, R57, R58, R59 e R60 (nível lógico "1").
O leitor deve ter notado que todos os Cls compartilham a mesma linha de dados (SER), clock (SRCLK) e latch (RCLK). Quando desejamos alterar os dados de um dos "Shif Registers" basta ativar o pino "G" correspondente deste com nível lógico "0". Isso é feito pelo microcontrolador através dos pinos de I/O da porta "B" (RB1 a RB6). Com este artifício é possível controlar até 48 saídas.
Para auxiliar ainda mais o leitor na compreensão do Cl 74HC595, temos na tabela 1 o que foi descrito até o momento.
O circuito prevê ainda o uso de mais cinco pinos de I/O do microcontrolador (RAO a RA4). Estes pinos receberam transistores "drivers" (Q1 a Q5) para controlar cinco LEDs "azuis" (D25 a D29) de maneira independente aos outros LED's (D1 a D24). Um circuito regulador para 5 VDC com correntes de até 1 A foi previsto também no projeto. Ele é formado pelo regulador CI8 e capacitores C8, C9, C10 e C11. Os capacitores C1, C2, C3, C4, C5, C6 e C7 ajudam no desacoplamento dos Cls (filtro). Para usar o circuito é necessária uma fonte com entrada de acordo com a rede e saída com tensão de 12 VDC previamente regulados e filtrados, com corrente igual ou superior a 1 A.
O leitor deve ter observado que o transistor Q1 é o único PNP do circuito. Ele foi inserido no circuito devido ao fato do pino de I/O RA4, quando configurado como saída ser do tipo "Open Drain" (Coletor aberto). O resistor R71, ligado a +Vcc, mantém Q1 em "corte" (sem condução). Quando RA4 é ativado, o transistor é levado a saturação, acendendo o LED. Veja a figura 2.
Os transistores Q2, Q3, Q4 e Q5 são NPN e sua operação é a seguinte: quando os pinos de I/O do microcontrolador, ligados a base destes, são levados ao estado lógico "O" os mesmos são colocados em "corte" e os LEDs ligados a eles permanecem apagados. Quando os pinos de I/O assumem o estado lógico "1" os transistores passam a conduzir (saturação) e os LEDs ligados a estes acendem.
Os resistores R1 a R48 são resistores limitadores e evitam a sobre tensão nos LED's e também garantem o nível de corrente adequados à operação dos "Shift Register's".
Obs.: O leitor deve ter em mente que se trata de um circuito microcontrolado. A ação de "levar um pino de I/O" a um determinado estado lógico é feita pelo programa que será inserido no microcontrolador.
A MONTAGEM
Na figura 3 temos o "lay-out" para a confecção do circuito impresso utilizado em nosso protótipo, o lado cobreado está disponível em nosso site www.eletronicatotal.com.br. O leitor mais experiente poderá montar o circuito em uma placa padrão, por exemplo, se preferir este tipo de montagem. A montagem do circuito, para testes apenas, pode ser feita em uma matriz de contatos.
Para a montagem definitiva, seja qual for, aconselhamos o uso de soquetes para todos os Cls, principalmente para C11 (microcontrolador).
Os LEDs devem preferencialmente ser ligados através de cabos do tipo "flat" ou outros, não muito grossos. Quanto mais maleáveis forem, melhor será a instalação deles na árvore. O comprimento deste pode ser de até 2 metros, dependendo do tamanho da árvore.
Se o leitor utilizar LEDs bicolores, procure montá-los conforme descrito no circuito elétrico. O pino que permite acender a cor "vermelha" em um dos Cls 74LS595 é o pino que permite acender a cor verde no Cl seguinte. Assim, o efeito sequencial será perfeito!
Uma outra dica sobre os LEDs é o uso de termocontrátil na ligação dos cabos em seus terminais. Isto não apenas permitirá um melhor acabamento, como também proporcionará uma proteção extra contra possíveis curtos-circuitos.
Evite o uso de LEDs brancos ou outros tipos neste circuito. O dreno de corrente destes é bem maior que o dos comuns vermelhos, por exemplo. Isso poderá danificar os Cls "Shift Registers". Caso o leitor deseje utilizar outros LEDs que, comprovadamente, possuem um consumo de corrente maior que 20 mA, deverá providenciar um "drive" para cada um deles. Use, se for o caso, o circuito da figura 4.
Lembre-se também de redimensionar a fonte para trabalhar com os novos valores de corrente no circuito. Os capacitores de desacoplamento C1 a C7, são do tipo cerâmico.
Os capacitores C8 e C11 são do tipo eletrolítico com tensões de trabalho de 25 V e 16 V, respectivamente. Os capacitores C9 e C10 devem ser do tipo poliéster com tensão de trabalho a partir de 150 V.
Tenha cuidado ao soldar os componentes polarizados como transistores, LEDs, diodos, Cls e capacitores eletrolíticos. Qualquer inversão e o circuito não funcionará corretamente.
O regulador de voltagem CI8 requer um radiador de calor. A fonte de alimentação para o circuito é do tipo externa e deve fornecer uma tensão previamente regulada em 12 VDC com um regime de corrente em 1 A ou superior (dependendo do tipo de LED adotado). Tenha cuidado ao ligar os "jumpers" na placa. Verifique se não esqueceu nenhum ou mesmo se não os trocou de posição.
Obs.: Os terminais ao lado do microcontrolador foram inseridos para acompanhamento dos sinais externamente. Foram necessários apenas nos nossos testes e podem ser ignorados pelo leitor durante a sua montagem.
O PROGRAMA
Isso mesmo, programa!!! Corno foi dito no início do artigo, trata-se de um circuito microcontrolado e este sem um programa não passa de um amontoado de peças inúteis.
Não entraremos em detalhes sobre a gravação do microcontrolador neste artigo. Julgamos que o leitor que se propôs a montar este circuito tem a experiência necessária com microcontroladores e conhece as operações envolvidas no processo de gravação dos mesmos. Para os leitores sem experiência no assunto, aconselhamos a leitura do artigo "Microcontroladores PIC — Dicas para montagens de sucesso" do autor Márcio José Soares, publicado na edição n2 98.
O programa foi desenvolvido na Linguagem "C", com o auxílio do compilador "CCS C" (http://www.ccsinfo.com/picc.shtml). O leitor interessado em conhecer o compilador poderá obter uma versão demo gratuitamente no link http://www.ccsinfo.com/demo.shtml. A versão demo possui algumas limitações com relação ao tipo de microcontrolador aceito para gerar o código e também com relação ao tamanho do mesmo que é de 2 kbytes máximos.
Porém, para facilitar a vida dos nossos leitores, não será necessário compilar o código-fonte para gravar o microcontrolador. Em nosso site, http://www.eletronicatotal.com.br o leitor encontrará tanto o arquivo com o código-fonte para estudos como também o arquivo HEX (resultado da compilação), necessário para a gravação.
Nota: o programa estava disponível na época da publicação do artigo. Hoje já não é possível acessá-lo, pois o site da publicação original não mais existe.
O leitor sem muita experiência com a Linguagem "C", poderá se valer da nossa série sobre a mesma, iniciada na edição n298 para auxiliá-lo na "interpretação" do código-fonte. O mesmo foi ricamente comentado para facilitar sua compreensão. O estudo atento do código permitirá a compreensão do mesmo.
TESTE E USO
Após realizar uma montagem qualquer, é sempre recomendável realizar um "check" na mesma. Não tenha pressa. Alguns minutos perdidos em uma minuciosa inspeção poderão fazer a diferença entre uma montagem de sucesso 'e uma bela "dor de cabeça".
Grave o microcontrolador com o arquivo HEX fornecido em nosso site e instale-o na placa de controle. Alimente o circuito com a tensão já descrita e observe os efeitos. Os LEDs não piscarão aleatoriamente.
O leitor poderá ver um efeito sequencial de vaivém entre os LEDs, nas cores vermelha e verde (no caso do uso dos mesmos, conforme o projeto original), o piscar de um conjunto de LEDs simulando uma "escada" (piscando em conjunto) para a instalação dos mesmos em níveis na arvore e outros efeitos muito interessantes. Os LEDs azuis seguem um outro padrão e nossa sugestão é que sua montagem deva ser feita no alto da árvore, simulando uma estrela, por exemplo.
Agora que o funcionamento já foi verificado, o leitor poderá instalar o circuito em uma caixa (gabinete). Esta pode ser de plástico, ferro, alumínio ou mesmo madeira. A escolha de um ou outro tipo é livre e dependerá exclusivamente dos recursos e materiais que cada um tem a mão. Aconselhamos apenas proteger o circuito, evitando usá-lo "aberto" (placa à mostra). Lembre-se que em dia de festa, tudo pode acontecer!
CONCLUSÃO
Esperamos que esta montagem possa ser de muita valia para nossos leitores, não somente para enfeitar sua árvore de natal como também em outros usos. Acreditamos também ter oferecido a nossos leitores algumas informações interessantes sobre "ampliação" das portas de um microcontrolador além do uso de compiladores "C". Uma boa montagem (tanto do circuito quanto da árvore) e até a próxima!
