Efetuar a programação de microcontroladores

Apresentação

UC00670 (50h · 4,5 pts) do curso Técnico de Sistemas de Computação e Redes. Liga a programação ao mundo físico: arquitetura de microcontroladores, programação de I/O (digital, analógico, PWM), leitura de sensores, comando de atuadores, comunicação (Serial, I²C, SPI, Wi-Fi) e integração num projeto de automação/IoT. Usa Arduino como plataforma de referência. Aplica conhecimentos de UC00606/07 (programação) e UC01988/92/51 (eletrónica/lógica).

O microcontrolador

µC vs µP

Arquitetura típica (Arduino UNO / ATmega328P)

• CPU 8 bits, 16 MHz.
• Flash (programa) ~32 KB, SRAM ~2 KB, EEPROM ~1 KB.
• GPIO — pinos digitais (entrada/saída).
• ADC — conversor analógico-digital (entradas A0–A5, 10 bits).
• PWM — saídas com modulação de largura de impulso.
• UART/I²C/SPI — comunicação.
• Timers e interrupções.

Plataformas

• Arduino UNO (ATmega328P) — didático, ecossistema enorme.
• ESP32 / ESP8266 — Wi-Fi + Bluetooth integrados → IoT.
• STM32 — ARM Cortex-M, profissional.
• Raspberry Pi Pico (RP2040) — moderno, programável em C ou MicroPython.
• BBC micro:bit — educação.

Estrutura do programa (Arduino)

// Variáveis e includes globais
const int LED = 13;

void setup() {
  // Executa UMA vez ao ligar/reset
  pinMode(LED, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Repete indefinidamente
  digitalWrite(LED, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED, LOW);
  delay(1000);
}

• setup() — inicialização (modos de pino, Serial, periféricos).
• loop() — ciclo infinito; o "programa principal".

Linguagem: C/C++ (framework Arduino). Ferramentas: Arduino IDE ou PlatformIO (VS Code).

Ciclo: escrever → compilar (verificar) → carregar (upload via USB) → observar (LED / Serial Monitor) → depurar → iterar.

Entradas e saídas digitais

pinMode(8, INPUT_PULLUP);     // entrada com resistência pull-up interna
int estado = digitalRead(8);  // HIGH (1) ou LOW (0)

pinMode(9, OUTPUT);
digitalWrite(9, HIGH);        // ~5 V
digitalWrite(9, LOW);         // 0 V

• INPUT_PULLUP evita entradas "a flutuar" (ruído): o pino fica em HIGH em repouso e vai a LOW quando o botão liga a GND.
• Debounce: um botão mecânico "salta" (bounce) ms ao premir; tratar por software (esperar/estabilizar) ou hardware (RC) para não contar vários toques.

// Debounce simples
if (digitalRead(BTN) == LOW) {
  delay(20);                       // estabiliza
  if (digitalRead(BTN) == LOW) { /* premido */ }
}

Entradas analógicas e PWM

ADC

int leitura = analogRead(A0);          // 0..1023 (10 bits)
float tensao = leitura * 5.0 / 1023.0; // converter para volts

Lê sensores analógicos (LDR, potenciómetro, NTC, LM35). A resolução do UNO é 10 bits (1024 níveis entre 0 e Vref).

PWM (saída "analógica")

analogWrite(6, 128);   // 0..255 (duty cycle ≈ 50%)

O PWM liga/desliga muito rápido com largura de impulso variável → controla brilho de LED, velocidade de motor, etc. (não é tensão analógica real, mas comporta-se como tal para muitas cargas).

Comunicação Serial

void setup() { Serial.begin(9600); }

void loop() {
  int v = analogRead(A0);
  Serial.print("Valor: ");
  Serial.println(v);
  delay(500);
}

O Serial Monitor (e o Serial Plotter) são as principais ferramentas de depuração num microcontrolador (não há "breakpoints" fáceis como num PC). Também serve para comunicar com o PC ou outro módulo.

Sensores

Princípio: o sensor converte uma grandeza física num sinal elétrico que o µC lê (digital ou via ADC).

Atuadores

Atenção à corrente: um pino do Arduino fornece pouca corrente (~20–40 mA). Motores, fitas LED e cargas AC nunca se ligam diretamente ao pino — usar transístor/driver/relé e alimentação dedicada, com GND comum. Cargas indutivas (relés, motores) precisam de díodo de roda livre (flyback).

Protocolos de comunicação

• UART (Serial) — assíncrono, 2 fios (TX/RX). Depuração e ligação ponto a ponto.
• I²C (Wire) — 2 fios (SDA/SCL), vários dispositivos endereçáveis no mesmo barramento (LCD, RTC DS3231, sensores BME280).
• SPI — rápido, full-duplex (cartões SD, ecrãs TFT). Usa MOSI/MISO/SCK/CS.
• 1-Wire — DS18B20 (temperatura) num só fio.
• Wi-Fi / BLE (ESP32/ESP8266) — IoT: enviar dados para a nuvem (MQTT/HTTP), receber comandos.

Boas práticas de programação embebida

• Não bloquear com delay() longos — impede o µC de fazer outras coisas. Usar millis() para temporização não bloqueante:

unsigned long ultimo = 0;
const unsigned long INTERVALO = 1000;

void loop() {
  if (millis() - ultimo >= INTERVALO) {
    ultimo = millis();
    // tarefa periódica (ex.: ler sensor)
  }
  // outras tarefas continuam a correr
}

• Debounce de botões; tratar entradas inválidas.
• Modularizar — funções com responsabilidade única; constantes nomeadas (const).
• Memória escassa — cuidado com Strings dinâmicas (preferir char[]/F() para texto na Flash).
• Interrupções para eventos críticos/rápidos (manter ISRs curtas).
• Alimentação dimensionada; massa comum entre módulos.
• Esquema elétrico documentado (Fritzing) e testar por partes (um periférico de cada vez).

Padrão de automação

Quase todos os projetos seguem ler → decidir → atuar:

void loop() {
  float t = lerTemperatura();          // SENSOR
  if (t > 25.0)  digitalWrite(RELE, HIGH);  // DECISÃO + ATUADOR
  else           digitalWrite(RELE, LOW);
  Serial.println(t);                   // monitorizar
  delay(2000);
}

Termóstato, rega automática, alarme, estação meteorológica IoT — variações deste padrão.

Apêndices

A · Cheatsheet Arduino

pinMode(p, INPUT|OUTPUT|INPUT_PULLUP);
digitalRead(p);  digitalWrite(p, HIGH|LOW);
analogRead(A0);  analogWrite(p, 0..255);
Serial.begin(9600); Serial.print/println(x);
millis();  delay(ms);
tone(p, freq); noTone(p);
#include <Servo.h> / <Wire.h> (I2C) / <SPI.h>

B · Glossário

ADC. Conversor analógico-digital. GPIO. General Purpose Input/Output. I²C / SPI / UART. Protocolos de comunicação. ISR. Rotina de serviço de interrupção. PWM. Pulse Width Modulation. Pull-up/down. Resistência que define o estado em repouso. Sketch. Programa Arduino. µC / µP. Microcontrolador / microprocessador.

C · Recursos

• arduino.cc · referência da linguagem e tutoriais.
• Tinkercad Circuits · simular Arduino sem hardware.
• Wokwi · wokwi.com — simulador online (Arduino/ESP32).
• Random Nerd Tutorials · ESP32/IoT.
• Fritzing · desenhar esquemas de montagem.