Entrada Analógica

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ENTRADA ANALÓGICA
 
Como vimos nas práticas anteriores, os microcontroladores podem ser entendidos como computadores completos porque possuem CPU, memória e dispositivos de I/O
(Entrada/Saída) reunidos num único chip.
O módulo ESP32 possui interfaces de entrada/saída digitai, interfaces de entrada/saída analógicas, além de possuir integrado os padrões Bluetooth e Wi-Fi viabilizando
comunicação fácil com outros dispositivos e redes de computadores. Além disso, ainda possui interface Ethernet, Infravermelho, e algumas outras.
Na Figura 1 podemos ver o detalhamento das funções dos pinos do módulo ESP32-WROOM (ou ESP-WROOM-32). Existe o módulo ESP32 na versão de 30 pinos e na
versão de 38 pinos (esta também é conhecida por ESP32s).
Figura 1 – Funções dos pinos do Módulo ESP-WROOM-32 (versão 38 pinos).
 
Conforme estudamos em nosso Livro de Estudos, esse módulo ESP32 possui 34 GPIOs programáveis como entrada ou saída, 18 canais de entrada analógica ADC
(Analog to Digital Converter) com 12 bits de resolução, 2 canais de saída analógica DAC (Digital do Analog Converter), além de outras funções e interfaces.
É importante notar, que muitos pinos possuem mais de uma função, dependendo da programação feita no ESP32 pelo usuário/programador. Na figura 1, acima, foram
destacados o GPIO21 e GPIO26. O primeiro pode ser entrada ou saída digital e também tem a função de DAS (Serial Data-Dados Seriais) no padrão de comunicação
I2C. Já o segundo (GPIO26) pode ser entrada ou saída digital, entrada de sinais analógicos (ADC), saída de sinais analógicos (DAC), ou ainda relógio de tempo real
(RTC).
Neste experimento o foco será nas entradas analógicas, sendo que as entradas e saídas digitais já forma estudadas nas práticas anteriores. Um sinal analógico é aquele
que pode assumir infinitas possibilidades de valores de amplitude, dentro de um limite, no decorrer do tempo, conforme mostra a Figura 2.
Figura 2 – Sinal analógico com valores entre 0 V e 3,3 V.
 
Podemos observar no exemplo na figura anterior que o valor de amplitude da tensão (V) pode assumir quaisquer valores no decorrer do tempo, dentro do limite mínimo de
0V e máximo de 3,3V.
Uma entrada analógica do ESP32 consegue ler, ou “sentir”, qualquer valor de tensão aplicado nessa entrada desde que esteja entre os valores limites, de 0V até 3,3V.
Para que essa facilidade possa ser utilizada, é necessário programar um software que execute a leitura da entrada analógica desejadas. O valor lido deve ser
armazenado numa variável do tipo “inteiro”, porque o comando de leitura da entrada analógica (ADC) gera uma resposta em número inteiro. Esse valor depois será usado,
pela lógica do software, para calcular o valor de tensão correspondente (de 0V a 3,3V) e gerar as saídas desejadas conforme a necessidade do projeto.
É possível simular um sinal analógico na entrada do ESP32, por meio de um potenciômetro, que é um resistor variável. Este componente elétrico possui 3 (três) terminais
e uma haste móvel, que através o seu giro varia de forma contínua a resistência entre o terminal central e os terminais dos extremos. Por isso podemos dizer que é um
componente analógico. Na Figura 3, podemos ver o potenciômetro:
Figura 3 – Potenciômetro (resistor variável).
 
Podemos gerar um sinal de tensão continuamente variável, analógico portanto, dentro do limite de 0V a 3.3V, girando a haste de comando de um potenciômetro, se
ligarmos o mesmo conforme a Figura 4.
Figura 4 – Esquema de ligação do Potenciômetro.
 
Utilizando o esquema da figura anterior, o terminal central do potenciômetro vai gerar uma tensão de 1,65V quando estiver bem no centro de faixa de rotação mecânica.
Isto porque, como estará na metade do seu giro, vai gerar metade da sua resistência total para o terminal superior e metade da sua resistência total para o terminal
inferior, ficando, portanto, com 50% da tensão total aplicada de 3,3 V.
No caso da Figura 4, se o terminal do meio for sendo deslocado para baixo, girando a haste do potenciômetro, a tensão nele vai caindo proporcionalmente à resistência,
até chegar ao mínimo que será 0V. Se o terminal do meio for sendo deslocado par cima, a tensão nele vai subindo proporcionalmente à resistência, até chegar aos 3,3 V
máximos. Neste terminal do meio é conectada a entrada analógica do ESP32 para que seja efetuada a leitura.
A leitura da entrada analógica pelo ESP32 gera um número inteiro e no formato digital (binário) na memória do microcontrolador. Isso é chamado de conversão analógico
para digital (ADC em inglês) e, no caso do ESP32, o número digital (binário) é formado por 12 bits. Isso significa que o valor analógico lido passa a ser representado por
um número binário de 12 bits. Se considerarmos a faixa de 0V até 3,3V teremos:
 ⇒ Número 000000000000 representa o mínimo, que é 0 V;
 ⇒ Número 111111111111 representa o máximo, que é 3,3 V.
Dessa forma, o programa deverá pegar o valor binário obtido pela ADC, com 12 bits, e transformar para um valor decimal correspondente. Como o valor binário possui 12
bits, ele poderá ter um total de 4096 ( 2 = 2 )combinações possíveis para representar o intervalo decimal considerado. Então, se o intervalo decimal é de 3,3V no
sinal analógico lido (pode variar de 0V até 3,3V no ESP32), a fórmula para efetuar a conversão de número digital para número decimal é a seguinte:
 tensão = (leitura * 3,3)/4095
Onde:
leitura = valor digital (binário) obtido pela leitura da entrada analógica;
tensão = valor decimal correspondente à leitura da entrada analógica.
 
Vejamos dois exemplos para entender melhor esse processo de conversão:
n bits 12
1) se o valor de “leitura” for o máximo possível, ou seja 111111111111, que corresponde em decimal a 4095, o valor obtido será tensão = 3,3V;
2) se o valor de “leitura” for 100000000000, que corresponde em decimal a 2048, o valor obtido será tensão = 1,65V.
Ou seja, usando a fórmula acima obtemos exatamente o valor decimal correspondente à leitura feita pela entrada analógica do ESP32.
Com relação às saídas digitais, conforme visto nas duas práticas anteriores, elas podem ser facilmente controladas pela lógica do software, levando em consideração o
valor lido por uma entrada analógica por exemplo, para acender ou apagar LEDs. Sempre devem ser utilizados resistores para limitar a corrente nos LEDs evitando sua
queima. Caso você ainda tenha dúvidas sobre o LED, pedimos verificar o sumário teórico da prática “Saída Digital”.
Baseado nessas informações você poderá executar o experimento no laboratório virtual para conhecer melhor o funcionamento e a programação para utilizar uma das
entradas analógicas do módulo ESP32, além de saídas digitais no mesmo projeto.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
 
BERTOLETI, P. Projetos com ESP32 e LoRa. São Paulo: Editora NBC, 2019.
CULKIN, J.; HAGAN, E. Aprenda eletrônica com Arduino: um guia ilustrado de eletrônica para iniciantes. São Paulo: Novatec, 2019.
KURNIAWAN, A. Arduino Sketch for ESP32 development workshop. Berlin: E-book Kindle, 2018.
STEVAN JUNIOR, S. L. Internet das coisas: fundamentos e aplicações em Arduino e NodeMCU. São Paulo: Érica, 2018.
TOKHEIM, R. Fundamentos de eletrônica digital – Vol. 2: Sistemas Sequenciais. São Paulo: Bookman, 2013.