Microcontroladores

Microcontrolador – TM4C123G LaunchPad (Cortex-M4)

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Neste artigo falarei sobre a placa (que particularmente gosto bastante) Tiva C Series LaunchPad que inclui o microcontrolador TM4C123GH6PM e um ICDI (In-Circuit Debug Interface) integrado, bem como um conjunto de recursos periféricos muito úteis para o desenvolvimento de sistemas embarcados (embedded systems). Neste artigo descreverei como estes periféricos operam e fazem interface com o microcontrolador.

Antes porém, talvez seja importante antes de falar sobre a placa em si, seja apresentar onde ela pode ser utilizada. Um sistema integrado combina componentes mecânicos, elétricos e químicos, juntamente com um computador oculto no seu interior, para que seja possível realizar um propósito único dedicado. Há mais computadores no planeta do que há pessoas, e a maioria destes computadores são microcontroladores de chip único que são os cérebros da maioria dos sistemas embarcados.

Sistemas embarcados são um componente onipresente da nossa vida cotidiana. Nós interagimos com centenas de minúsculos computadores todos os dias que estão embutidos em nossas casas, nossos carros, nossos eletrodomésticos, os nossos brinquedos, e nosso trabalho. Como o nosso mundo tem se tornado mais complexo, a cada dia “vemos” mais controladores embutidos em nossos dispositivos com capacidade cada vez maior de processamento. Portanto, o mundo precisa de uma força de trabalho treinada para desenvolver e gerenciar produtos baseados em microcontroladores embarcados.

Para iniciar, falarei sobre o microcontrolador TM4C123GH6PM, pois sem ele não seria possível efetuar a execução das instruções de máquina. Basicamente, o TM4C123GH6PM é um microcontrolador baseado em ARM Cortex-M4 32-bit com memória de 256 KB Flash, 32KB SRAM, e operação de 80 MHz (clock de 80 MHz).

O processador ARM Cortex-M fornece a base para um alto desempenho, é uma plataforma de baixo custo que atende às necessidades de implementação mínima de memória, diminuição do número de pinos e baixo consumo de energia e ao mesmo tempo oferecendo um ótimo desempenho computacional e tempo de resposta do sistema para as interrupções do hardware. Realmente gosto muito desta placa, existem outras tão boas quanto, mas essa em termos de simplicidade realmente é muito boa.

Um multiplexador interno permite que diferentes funções periféricas possam ser atribuída a cada um desses slots GPIO. O microcontrolador TM4C123GH6PM vem com um programa de demonstração “quickstart” pré-programado de fábrica. O programa “quickstart” reside no chip de memória Flash e roda cada vez que a energia é aplicada na placa, a não ser que a aplicação “quickstart” tenha sido substituída por um programa desenvolvido pelo usuário (no próximo artigo falarei sobre o desenvolvimento para essa placa).

Como eu disse acima, o processador Cortex-M4 é construído sobre um núcleo de processamento de alto desempenho, utiliza uma arquitetura Harvard com 3 estágios de pipeline, tornando-o ideal para aplicações embarcadas. O processador oferece uma ótima eficiência de energia através de um conjunto de instruções eficiente e design otimizado, assim proporcionando hardware de processamento high-end, ainda contando com o “IEEE754-compliant” computação de precisão simples de ponto flutuante, uma variedade de ciclo único e multiplicação SIMD e ainda capacidades do tipo “multiply-with-accumulate”, saturação aritmética e divisão de hardware dedicado.

Outro fato importante do Cortex-M4 é facilitar a concepção de dispositivos sensíveis ao custo. O processador Cortex-M4 implementa componentes fortemente acoplados, que reduzem a área do processador enquanto melhora significativamente a capacidade de tratamento de interrupção e de depuração do sistema.

Recursos da Placa

Alguns Recursos da Placa:

Tiva C Series LaunchPad inclui os seguintes recursos:
Tiva TM4C123GH6PMI microcontroller
Motion control PWM
USB micro-A and micro-B connector for USB device, host, and on-the-go (OTG) connectivity
RGB user LED
Two user switches (application/wake)
Available I/O brought out to headers on a 0.1-in (2.54-mm) grid
On-board ICDI
Switch-selectable power sources:
– ICDI
– USB device
Reset switch
Preloaded RGB quickstart application

Esta placa vem com uma série dos chamados “BoosterPacks”. Estes “BoosterPacks” expandem os periféricos disponíveis para potenciais aplicações da Tiva C Series LaunchPad. BoosterPacks pode ser usado com a Tiva C Series LaunchPad ou você pode simplesmente usar o microcontrolador TM4C123GH6PM com o próprio processador dela em uma placa desenhada e projetada por você mesmo.

Especificações

A tabela abaixo sumariza as especificações para a Tiva C Series LaunchPad.

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A imagem abaixo apresenta o “port pins” para os microcontrolador TM4C123GH6PM.

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É através desta configuração que as portas são acessadas gerando sinais digitais e analógicos de entrada e saída.

O Microcontrolador

Como já dito, o TM4C123GH6PM é um microcontrolador baseado em ARM Cortex-M4 de 32 bits com 256 KB de memória Flash, 32 KB SRAM, e operação de 80 MHz (clock da placa); host USB, dispositivos e conectividade OTG; um módulo de hibernação e PWM, e uma ampla gama de outros periféricos. Caso tenha interesse acesse o data sheet do microcontrolador aqui.

A maioria dos sinais de microcontroladores são direcionados para os conectores de 0,1-in (2,54 mm). Um multiplexador interno permite que diferentes funções periféricas sejam atribuídas a cada um desses slots GPIO. Um ponto importante a observar é que ao adicionar um circuito externo, deve-se considerar uma carga adicional sobre a alimentação da placa. Veja ainda que o microcontrolador TM4C123GH6PM já vem com um programa de demonstração denominado “quickstart”. Como eu disse anteriormente, o programa “quickstart” reside dentro do chip de memória Flash e roda cada vez que a energia é aplicada, este programa é substituído sempre que o usuário programador da placa escrever um novo programa e fizer o o download para a placa (“burn” do programa em memória flash).

Conectividade USB

O EK-TM4C123GXL foi concebido e funciona como um dispositivo USB sem modificação de hardware. Os sinais de dispositivos USB são dedicados a funcionalidade USB e não são compartilhados com os cabeçalhos BOOSTERPACK. Os sinais do dispositivo USB estão listados na Tabela abaixo.

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O dispositivo de destino TM4C123GH6PM também é capaz de ser host USB embutido e com funções (OTG) “on-the-go”. A funcionalidade de OTG pode ser ativado carregando R25 e R29 com resistências de 0-Ω. Estes resistores conectam o ID USB ​​e sinais VBUS USB para PB0 e PB1. Quando estes resistores são carregados, PB0 e PB1 devem permanecer nas respectivas configurações do modo PIN USB para evitar danos ao dispositivo. PB0 e PB1 também estão presentes no cabeçalho J1 BoosterPack. Portanto, se R25 ou R29 são carregados, deve-se tomar cuidado para que estes sinais não entrem em conflito com os sinais do BOOSTERPACK.

A operação do USB embutido pode ser ativada da mesma forma para dispositivos USB que são auto-alimentados. Fornecer energia ao atuar como um host USB requer um BoosterPack com comutação de energia e conectores apropriados. Todos os sinais de host USB estão disponíveis na interface BoosterPack exceto D+ e D-, que só estão disponíveis no conector USB micro-A/-B e nos dois pontos de teste adjacentes.

Quando conectado como um dispositivo USB, a placa Tiva C Series LaunchPad pode ser alimentada a partir de qualquer ICDI ou os conectores do dispositivo USB. O usuário pode selecionar a fonte de energia, movendo o interruptor POWER SELECT (SW3) para a posição de dispositivos.

Motion Control

O EK-TM4C123GXL inclui a tecnologia PWM Tiva C-Series Motion Control, com dois módulos PWM capazes de gerar 16 saídas PWM. Cada módulo PWM proporciona grande flexibilidade e pode gerar sinais PWM simples. Exemplo: para aqueles exigidos por uma bomba de carga simples, bem como sinais PWM emparelhados e com atrasos de banda, tais como os exigidos por um half-H bridge driver. Três blocos geradores também podem gerar o total de seis canais de controles exigidos por uma ponte inversora de 3 fases. Duas interfaces de quadratura do codificador (QEI) também estão disponíveis para fornecer feedback de controle de movimento.

User Switches and RGB User LED

A placa Tiva Série C LaunchPad vem com um LED RGB. Este LED é usado na carga do programa “Quickstart” e pode ser configurado para ser utilizado em aplicações personalizadas. Dois botões para utilização estão incluídos na placa. Os botões são ambos usados ​​na aplicação “Quickstart” para ajustar o espectro de luz do LED RGB, bem como entrar e sair do modo de hibernação. Os botões podem ser utilizados para outros fins na sua aplicação.

A placa também tem um LED verde. A tabela abaixo mostra como estas características são ligadas aos pinos do microcontrolador.

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Headers and BoosterPacks

As duas filas de cabeçalhos (slots) empilháveis ​​são mapeadas para a maioria dos pinos GPIO do microcontrolador TM4C123GH6PM. Estas linhas são rotuladas como conectores J1, J2, J3, J4. Vide imagem abaixo para maior entendimento dos cabeçalhos da placa.

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Os conectores J3 e J4 estão localizados em 0.1 in (2,54 mm) no interior dos conectores J1 e J2. Todos os 40 pinos de conectores do J1, J2, J3, J4 compõem a Tiva Série C TM4C123G LaunchPad BoosterPack XL Interface. Para configurar os dispositivos periféricos de forma fácil e intuitiva através de uma interface gráfica do usuário (GUI), consulte a Tiva Série C Pinmux Utility encontrada em www.ti.com/tool/lm4f_pinmux. Esta interface “Easy-To-Use” torna a configuração de funções alternativas para GPIOs simples e livre de erros.

Abaixo apresento a configuração de cada conector, seus GPIOs e funções alternativas.

J1 Connector

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J2 Connector

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J3 Connector

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J4 Connector

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No próximo artigo falarei sobre como implementar um software simples usando o “Code Composer Studio”, que é uma das IDEs recomendadas para o desenvolvimento de software para essa e muitas outras placas.

Espero que tenha gostado do artigo. Qualquer dúvida entre em contato.


Construindo Termômetro Com Arduino

Neste artigo (da série embedded systems), vou demonstrar como é possível criar um termômetro para o ambiente utilizando o Arduino UNO e alguns poucos componentes. O ideal é que se tenha alguma noção de eletrônica, mas não é mandatório.

Para mais detalhes sobre o Arduino, acesse o artigo anterior sobre o assunto aqui. Você encontrará maiores referências sobre a placa.

Mas o que é preciso para produzir um produto como esse?

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Inventário das Peças

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Com as peças acima selecionadas, podemos começar a produzir o nosso termômetro. A descrição de cada uma das peças é auto explicativa e não entrarei nos detalhes de cada uma delas.

Uma boa prática é sempre desenhar o seu circuito antes de começar a construi-lo fisicamente. Para isso, existe um software chamado “Fritzing” (http://fritzing.org/) que facilita enormemente essa tarefa. Este software é freeware e pode e deve ser baixado gratuitamente para efetuar essa tarefa de design. Para baixa-lo, acesse o link http://fritzing.org/download/.

Escolha a versão para seu sistema operacional e faça download do programa conforme imagem abaixo:

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Depois que efetuar o download, não é necessário instalação, basta descompactar o programa em algum local no seu computador e executar o arquivo “Fritzing.exe”. A tela abaixo deverá aparecer:

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O que interessará para nós nesse primeiro momento é a aba “Breadboard”, pois é nela que iniciaremos o desenvolvimento do produto.

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Inicialmente adicionamos cada um dos componentes que iremos utilizar na nossa Breadboard. veja imagem abaixo:

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Estes são basicamente os componentes que precisaremos para montar o projeto. Agora está faltando o mais importante: conectar os fios e os componentes na Breadboard e faze-los funcionar.

1) Adicionar o LM35 (Sensor de Temperatura) na BreadBoard.

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2) Adicionar o potenciômetro de 10K na Breadboard.

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3) Adicionar o display LCD 16×2.

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4) Adicionar as ligações entre os componentes e o controlador (Arduino).

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Nossas ligações deverão ficar conforme imagem acima.

Para baixar o projeto de design criado, Login to view..

Você também pode notar que uma vez terminada a montagem da placa, a ferramenta gera o “Schematic” e o “PCB” para o nosso produto conforme as imagens abaixo:

Schematic

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PCB

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Construindo o Produto Físico

Uma vez que já construímos o nosso design, vamos agora para a parte prática, que nada mais é do que executar os passos que criamos no design do produto.

Veja a montagem do meu circuito:

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Perceba que pela falta de cores dos fios eu precisei adicionar fios de cores diferentes (pois os meus acabaram), perceba também, que o meu potenciômetro não cabe na Breadboard, por esse motivo improvisei.

Bom, toda a parte de montagem da breadboard já está pronta, precisamos agora iniciar o desenvolvimento do software que irá rodar dentro do Arduino e controlar todas as peças conectadas.

Desenvolvimento do Software

Para desenvolver, utilizarei o Visual Studio 2012 + Plugin para Arduino. Motivo: A IDE do Visual Studio é muito melhor para se trabalhar que a do Arduino, por esse motivo farei uso dela.

Para criar um novo projeto, basta seguir as imagens abaixo:

Para baixar o projeto finalizado, Login to view.

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Em seguida dê nome ao seu projeto:

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E clique em “OK”.

Por fim será aberta a IDE do Visual Studio com seu projeto novo para Arduino (veja abaixo).

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Podemos então começar a codificar o nosso projeto para efetuar o controle e apresentar na tela a temperatura ambiente.

A imagem abaixo apresenta o código do projeto pronto.

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Assim que terminar de escrever o código, basta mandar rodar o projeto com o Arduino conectado na porta USB e o código será gravado na memória flash do controlador e automaticamente seu projeto estará funcionando (apresentando a temperatura no display de LCD).

Veja o resultado na imagem abaixo:

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Espero que tenha gostado do artigo. Qualquer dúvida entre em contato.

Valeu um café?


Arduino Pra Que Te Quero

Neste artigo, vou abordar o assunto dos micro controladores, mais especificamente o Arduino [www.arduino.cc].

Diversas áreas precisam controlar o funcionamento de máquinas e aparelhos diversos e não podem se dar ao luxo de gastar muito dinheiro com produtos caros, pois podem inviabilizar um determinado projeto. Por esse (e outros motivos) utilizam placas com micro controladores em seus projetos. Neste artigo falarei sobre a plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre chamada “Arduino”.

O Hardware

A placa do Arduino consiste em um microcontrolador Atmel AVR de 8 bits, com componentes complementares para facilitar a programação e incorporação para outros circuitos.
Existem várias placas Arduino, sendo que a mais difundida é a Arduino UNO que apresento conforme as imagens abaixo:

“Uno” significa “um” em italiano e foi o nome dado para marcar o lançamento do Arduino 1.0.
Esta placa contem 14 pinos digitais de entrada e saída (todos podem ser utilizados como entrada e saída conforme programação efetuada pelo usuário da placa) sendo que 6 podem ser utilizados como saída PWM. Além disso, contém 6 entradas analógicas, um clock de 16 MHz, uma porta para conexão USB, uma entrada de força e outros atributos mais técnicos.
Esta placa (assim como as outras) passa por revisões e atualizações. Atualmente o Arduino UNO está no rev3.

Visão geral do Hardware

Microcontroller

ATmega328

Operating Voltage

5V

Input Voltage (recommended)

7-12V

Input Voltage (limits)

6-20V

Digital I/O Pins

14 (of which 6 provide PWM output)

Analog Input Pins

6

DC Current per I/O Pin

40 mA

DC Current for 3.3V Pin

50 mA

Flash Memory

32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader

SRAM

2 KB (ATmega328)

EEPROM

1 KB (ATmega328)

Clock Speed

16 MHz

A imagem abaixo está apesentado o esquema da placa Arduino UNO para os mais interessados em eletrônica.

Alimentação da Placa

O Arduino Uno pode ser alimentado através de uma conexão USB ou com uma fonte de alimentação externa. A fonte de alimentação é selecionada automaticamente conforme o fornecimento da energia pelas fontes. Fonte externa (não-USB) de energia pode vir com um adaptador AC-DC ou bateria.
O adaptador pode ser conectado através de um plugue centro positivo 2,1 milímetros na tomada de energia da placa. Além disso, cargas de uma bateria podem ser inseridas nos pinos Gnd e Vin do conector de alimentação.

A placa pode operar a partir de um fornecimento externo de 6 a 20 volts. Se fornecido com menos de 7V, no entanto, o pino de 5V pode fornecer menos de cinco volts e a placa pode se tornar instável. Se usar mais do que 12V, o regulador de voltagem pode superaquecer e danificar a placa. Sendo assim, o intervalo recomendado é de 7 a 12 volts.
Os pinos de energia são os seguintes:

  • VIN – A tensão de entrada para a placa Arduino quando se está usando uma fonte de alimentação externa (ao contrário de 5 volts a partir da conexão USB ou outra fonte de alimentação regulada). Você pode fornecer tensão por este pino ou, se o fornecimento de tensão se der através da tomada de energia, acessá-lo através deste pino.
  • 5V – Este pino gera uma tensão regulada de 5V na placa. A placa pode ser alimentada com energia a partir da tomada de energia DC (7 – 12V), do conector USB (5V), ou do pino VIN da placa (7-12V). Fornecimento de tensão através dos pinos 5V e/ou 3.3V ignora o regulador, e pode danificar sua placa. Este procedimento não é nenhum pouco recomendado.
  • 3.3V – Este pino gera uma tensão de 3,3 volts gerado pelo regulador on-board. A corrente máxima é de 50 mA.
  • GND – São os pinos de aterramento.
  • IOREF – Este pino na placa Arduino fornece a referência de tensão com que o microcontrolador está operando. Um determinado circuito configurado corretamente pode ler a tensão do pino IOREF e selecione a fonte de alimentação adequada ou habilitar tradutores de tensão nas saídas para trabalhar com o 5V ou 3.3V.

Memória do Arduino UNO

O chip ATmega328 tem 32 KB (com 0,5 KB utilizada para o bootloader). Ele também tem 2 KB de SRAM e 1 KB de EEPROM (que pode ser lido e escrito com a biblioteca EEPROM).

Entrada e Saida

Cada um dos 14 pinos digitais do Arduino Uno pode ser utilizado como uma entrada ou uma saída, usando as funções pinMode(), digitalWrite() e digitalRead().Eles operam com 5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber um máximo de 40 mA e tem um resistor pull-up interno (desconectado por padrão) de 20-50 kOhms. Além disso, alguns pinos têm funções especializadas:

  • Serial: 0 (RX) and 1 (TX): Usado para receber (RX) e transmitir (TX) dados seriais TTL. Estes pinos são ligados aos pinos correspondentes do USB-TTL chip serial ATmega8U2.
  • External Interrupts (2 and 3): Estes pinos podem ser configurados para disparar uma interrupção por um “low value”, uma “rising” ou “falling edge”, ou uma mudança de valor. Caso tenha interesse, acesse a documentação da função attachInterrupt() para mais detalhes.
  • PWM: 3, 5, 6, 9, 10 e 11: Assegura a saída PWM de 8-bit com a função analogWrite().
  • SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Estes pinos suportam comunicação SPI usando a biblioteca SPI.
  • LED 13: Há um LED pré-montado conectado ao pino digital 13. Quando o pino está com o status HIGH, o LED está ligado, quando o pino é LOW, ele está desligado.

O Arduino Uno tem 6 entradas analógicas, rotuladas A0 a A5, cada uma das quais com 10 bits de resolução (1024 valores diferentes). Por padrão elas medem até 5 volts, embora seja possível mudar o limite superior de sua faixa usando o pino AREF e a função analogReference().Além disso, alguns pinos tem funcionalidades especializadas:

  • TWI (A4 ou SDA pin e A5 ou SCL pin): Suporta Comunicação TWI usando a biblioteca Wire.
  • AREF: Tensão de referência para as entradas analógicas. Usado com analogReference().
  • Reset: Traz essa linha LOW para resetar o microcontrolador. Tipicamente usado para adicionar um botão de reset para “Shields” que bloqueiam o que está na placa.

Comunicação do Arduino

Muita coisa no Arduino não faria sentido se não houvesse comunicação dele com o mundo externo e do mundo externo para ele.

O Arduino Uno tem uma série de facilidades para se comunicar com um computador, outro Arduino ou outros microcontroladores. O chip ATmega328 fornece UART TTL (5V) de comunicação serial, que está disponível nos pinos digitais 0 (RX) e 1 (TX). Um ATmega16U2 direciona esta comunicação serial através de USB que aparece como uma porta COM virtual para o software no computador. O firmware ’16U2 usa os drivers COM USB padrão, e nenhum driver externo é necessário, no entanto, no Windows, um arquivo (inf) se faz necessário.

O software do Arduino inclui um monitor serial que permite que dados simples de texto sejam enviados de e para a placa Arduino. Os LEDs RX e TX da placa piscam quando os dados estão sendo transmitidos através do chip “USB-to-Serial” e conexão USB para o computador (mas não para comunicação serial nos pinos 0 e 1). Além disso, o ATmega328 também suporta I2C (TWI) e comunicação SPI. Inclui ainda uma biblioteca Wire para simplificar o uso do bus I2C.

Programando Para Arduino

Talvez uma das partes mais interessantes do Arduino, seja a possibilidade de escrever seus próprios comandos para a placa, facilitando muito a automação de qualquer atividade que se tenha em mente.

O Arduino Uno pode ser programado com o software Arduino que pode ser baixado aqui.

O ATmega328 no Arduino Uno vem precarregado com um bootloader que permite o envio de novos códigos sem o uso de um programador de hardware externo, o que é muito bom, pois facilita enormemente a vida do programador. Ele se comunica utilizando o protocolo original STK500.

Também é possível ignorar o bootloader e programar o microcontrolador através do ICSP (In-Circuit Serial Programming), porém é necessário conhecimentos específicos que, não necessariamente o programador precisa ter para tocar seus projetos.

Uma vez que você tenha feito o download do software, você deve instala-lo no seu computador para começar a programar. Basta rodar o arduino.exe e a IDE dele será aberta. É uma IDE bastante simples e sem qualquer tipo de “intellisense”.

Vide abaixo a imagem da IDE com um exemplo do LED na porta 13 piscando a cada 1 segundo.

No próximo artigo sobre Arduino, falarei sobre a parte de programação da placa e como configurar os drivers para Windows 8.

Espero que tenha gostado do artigo. Qualquer questão, escreva para mim.