Eletrônica

Protótipo da Eletrônica

Circuito Eletrônico

Após algumas ideias e tentativas para o planejamento do circuito eritrônico, a equipe chegou a um esquemático final tanto para o circuito das teclas quanto para o circuito dos LEDs. Para a composição desse circuito alguns professores foram consultados (em especial o professor Rubens Alexandre de Farias) e também alguns colegas ajudaram no processo.

Circuito para as teclas

Teclas tudo

Para as teclas, usamos a técnica do capacitor para resolver os problemas de bouncing citada nas bases teóricas. Foram utilizados capacitores de 100nF em paralelo com os push buttons. O capacitor desempenha o papel de amortecedor do sinal, inserindo um tempo de atraso para o sinal. Este é o tempo necessário descarregar o capacitor, o qual depende da constante de tempo RC que é maior que o período de debounce. Desta forma as oscilações rápidas no sinal, devido à oscilação mecânica da chave, são filtradas deixando o sinal estável.

Além disso, na prática tivemos problemas com o efeito gousting. Quando pressionamos 3 ou mais teclas um efeito conhecido como tecla fantasma pode ocorrer. O gif abaixo mostra como ocorre esse efeito.

ghost

Para resolver esse problema, basta inserir um diodo em série com o push button para evitar que correntes inversas ativem teclas não pressionadas.

Para multiplexar as teclas, utilizamos um contador de década, 74HC4017 (mais referências nas bases teóricas), que ativa uma de suas saídas a cada clock. Suas saídas são ativas em nível alto e por isso somente uma das colunas do teclado matricial é ativa para leitura por vez. Para evitar que correntes inversas queimem o componente, inserimos diodos nas saídas desses componentes para não causar curto circuito no componente.

Esse CI possuí seu clock conectado ao Arduíno que é responsável por gerar o clock para o contador. Porém, na prática verificamos que o arduíno não possui nível de sinal e corrente o suficiente para gerar o clock para esse componente, por isso, adicionamos um shimitt trigger que é um circuito comparador: quando o nível de tensão de entrada é maior que um limiar escolhido, a saída está em nível alto; quando a entrada está abaixo de outro limiar, a saída está em nível baixo; quando a entrada se encontra entre os dois limiares , a saída retem o valor anterior até a entrada se alterar suficientemente para mudar o estado do disparador. Isso faz com que o circuito garanta que haja tensão e corrente o suficiente para ativar o clock do CI.

O ciclo de contagem é reiniciado toda vez que a contagem chega ao sexto pino (só há 5 colunas para serem lidas) ou quando o arduíno manda um sinal pelo pino de reset. Por causa dessa necessidade, adicionamos uma porta OU conectada ao CLEAR do contador.

Desta forma, conseguimos identificar qual botão foi pressionado pela leitura feita nas linhas da matriz e também pela coluna que está ativa no momento.

Circuito para os LEDs

Leds Tudo

A mesma ideia do contador foi utilizada para os LEDs, porém dessa vez tivemos que utilizar um CI a mais devido a corrente necessária para ativar um LED. Para evitar sobrecargas de corrente no microcontrolador, utilizamos o CI ULN2803 que serve como um CI intermediário para fornecer a corrente necessária aos LEDs. Esse CI é capaz de ativar periféricos de alta potência sem comprometer o microcontrolador utilizado.

O clock do circuito também é ativado pelo Arduino sendo mediado por um shimitt trigger pelas mesmas razões citadas anteriormente.

Cada linha dos LEDs possui ou LEDs vermelhos ou LEDs azuis, devido ao uso do LED RGB. Portanto para ativar um LED, é necessário que a sua coluna esteja ativa através do contador e também que sua linha seja ativa pelo Arduino. Foi colocado um shimitt trigger para a ativação do LED justamente para garantir tensão suficiente para os componentes.

Cada LED RGB consiste em três LEDs encapsulados em um mesmo dispositivo, que podem ser controlados individualmente, cada um com uma cor distinta: um vermelho, um verde e um azul. Como a cor verde não será utilizada no projeto, tiramos esse terminal do componente, sobrando apenas dois. Cada um é conectado em uma linha com resistores que limitam sua corrente a fim de não causar curto circuito. Porém, uma característica importante dos LEDs RGB é que cada LED individual interno, por ser de cor distinta, possui sua própria tensão de operação, o que deve ser levado em conta ao se projetar um circuito. Isso significa que cada pino do LED irá necessitar de um resistor de valor de resistência diferente. A intensidade luminosa também tende a ser diferente, sendo que a cor vermelha geralmente possui menor intensidade do que o verde e o azul. Para que o vermelho não sobressaísse sob o azul, utilizamos uma resistência maior para essa cor (220 ohms). Já para o LED azul, utilizamos um resistor mais baixo (100 ohms). Com isso, conseguimos fazer com que as duas corres se misturassem para formar uma terceira quando os dois terminais são ativos ao mesmo tempo como mostra a figura abaixo.

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Testes da eletrônica

Antes de planejar as placas de circuito impresso, testamos o esquemático da eletrônica na prática. O circuito foi montado em protoboard para testes com o Arduino. Durante esses testes muitos ajustes no circuito foram feitos. O efeito fantasma do teclado matricial por exemplo, somente foi constatado em um desses testes e foi resolvido antes que as placas de circuito impresso fossem planejadas.

O primeiro teste efetuado é mostrado abaixo. Por ser um teste inicial, os LEDs piscavam visivelmente, problema esse que foi sanado no segundo teste. Porém, nesse teste já obtivemos resultados muito bons, mostrando que o circuito funcionava, porém necessitava de alguns ajustes.

No segundo teste, todos os problemas de eletrônica foram sanados. O vídeo mostra que o circuito é capaz de acender múltiplos LEDs ao mesmo tempo de acordo com as teclas que foram apertadas. Apesar de todo o sistema ser baseado em varredura, o arduino é se mostrou rápio o suficiente para que nenhum efeito de delay fosse constatado a olho nú.

Placas de circuito impresso

Alguns lugares foram consultados para a fabricação das placas. Entre eles a CircuiBras, o professor Castaldo e um fabricante de placas artesanais. A empresa CircuiBras nos propôs um orçamento em torno de R$2000,00 para a fabricação das placas. Como o valor é totalmente fora de cogitação para o grupo, essa opção foi descartada. As duas últimas opções nos forneceram valores parecidos, porém o fabricante de placas artesanais foi nossa primeira opção devido ao valor. Após alguns dias o responsável parou de responder as mensagens enviadas pela equipe e por isso o pedido foi cancelado. Com isso, a opção restante foi o professor Castaldo, o qual nos ajudou muito no planejamento das placas e atualmente é o responsável pela fabricação delas.

As placas foram divididas em 4 layouts:

– Teclas;

– LEDs;

– Gerência das Teclas;

– Gerência dos LEDs;

Todos elas foram planejadas no ambiente do Proteus e os respectivos arquivos Gerber foram feitos para enviar para produção.

Placa para as Teclas

A placa das teclas foi planejada para colocar os push buttons com as distância corretas entre as teclas físicas. Foi colocado os diodos em série com os push buttons e os capacitores para o problema de bouncing.

Placa Teclas 3D

Foram feitos testes para verificar a distância correta para cada push button. Para isso, o circuito foi impresso em papel e as teclas foram colocadas em cima para verificar se a estrutura eletrônica encaixaria na estrutura física futuramente. a figura abaixo mostra um desses testes.

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O modelo foi feito genérico para uma oitava. Portanto serão fabricadas 5 cópias dessa estrutura.

Placa de Gerência das Teclas

Como serão feitas 5 placas para as teclas, montamos uma estrutura que centraliza todas elas. Essa estrutura é mostrada abaixo. Nela podemos ver o contador 74HC4017 responsável pelo acionamento de cada uma das oitavas do teclado. Além disso, também há os resistores de pull down e os terminais de alimentação.

Gerencia das teclas 3D

Como essa estrutura é única, será somente fabricada uma dessa placa.

Placa para os LEDs

Devido a limitações do software proteus, os LEDs são representados pela barra de 3 pinos na figura abaixo. O primeiro pino representa o LED de cor azul, o segundo é o pino comum que deve ser ligado ao contador 75HC4017 na placa de gerência dos LEDs. O terceiro pino representa o LED de cor vermelha. Todos os pinos dos LEDs foram conectados a barras de 12 pinos que serão conectadas a placa de gerência dos LEDs.

Placa 3D

Esse modelo foi feito de forma genérica para uma oitava. Portanto, serão fabricadas 5 dessas placas para o projeto. Pra redução de gastos, essas placas serão as únicas fabricadas pela equipe de forma manual por se tratar de uma estrutura simples, composta de um layer apenas.

Placa de Gerência dos LEDs

As 5 placas de LEDs são redirecionadas para a placa de gerência dos LEDs. Nessa placa, temos os shimitt trigger que são usados para acionar os LEDs em suas linhas. Além disso, temos os resistores que são usados para limitar a corrente dos LEDs que são conectados na saída do shimitt trigger.

Nessa placa temos também o contador 74HC4017 que é usado para o acionamento de cada uma das oitavas dos LEDs. A porta OU (74HC32) também foi colocada nessa placa. ela é responsável pelo acionamento do reset de ambos os contadores das teclas e dos LEDs.

Por fim, temos um shimitt trigger que é conectado a porta de clock do Arduino para o acionamento dos contadores. Temos também dois pinos de alimentação para os CIs.

Gerencia dos LEDs 3D

Como esse é um circuito único para todas as oitavas, só será fabricado uma placa com essa estrutura.

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