Exercícios: Microcontroladores e robots

Explique o que é um microcontrolador (um computador completo, mas pequeno, integrado em uma placa) e duas diferenças em relação a um computador de mesa: o que cada um pode fazer e para que é utilizado.

A figura mostra uma placa microcontroladora com seus grupos de pinos rotulados, exceto um.

O pino tapado é a referência comum à qual retornam todos os circuitos que você ligar à placa. Nomeie-o e explique para que serve, qual a diferença entre os pinos digitais (tudo ou nada) e os analógicos (leem valores contínuos) e para que se usa o conector USB.

Classifique estes elementos conforme se liguem a um pino de entrada ou a um pino de saída da placa, e justifique um de cada tipo: um botão de pressão, um LED, um LDR, um besouro e um potenciômetro.

A figura mostra um robô móvel visto de cima, com seus elementos rotulados e o seu «cérebro» coberto com um ponto de interrogação.

Nomeie a peça coberta, explique que informação ela recebe dos sensores e que ordens envia aos atuadores, e classifique os elementos rotulados (rodas com motor, sensor de ultrassom, buzzer, LED, bateria) como entrada, saída ou fonte de energia.

Indique o que mede cada sensor que você pode ligar à placa e um projeto em que você o utilizaria: sensor de ultrassom (distância), LDR (luz), sensor de temperatura e sensor de linha por infravermelho (distingue claro de escuro no chão).

Indique o que faz cada atuador que se pode ligar à placa e uma diferença fundamental entre eles: um LED, um besouro, um servomotor (gira até a posição indicada) e um motor de corrente contínua (gira continuamente a maior ou menor velocidade).

Explique como um programa chega à placa: onde ele é escrito, o que acontece ao «carregá-lo» por meio do cabo e por que razão a placa depois funciona de forma autônoma, sem computador, executando o programa em ciclo.

Indique se são verdadeiras ou falsas estas afirmações e justifique cada resposta: (a) a placa executa o programa exatamente como o escrevemos, sem traduzi-lo antes; (b) os pinos da placa suportam qualquer corrente, portanto o LED pode ser ligado sem resistor; (c) um servomotor pode se posicionar em um ângulo específico comandado pelo programa; (d) a placa memoriza o último programa mesmo que seja desligada da tomada.

A figura mostra o fluxograma do controle de uma cancela de estacionamento com um sensor de ultrassom, mas a decisão está tapada.

Escreva a condição que a placa deve verificar (se a distância medida for menor que determinado valor, há um carro), explique o que faz o laço enquanto não chega ninguém e o que aconteceria se a cancela descesse sem aguardar alguns segundos.

Conceba um semáforo com a placa: decida de quantos pinos de saída você precisa e para quê, escreva a sequência de estados com os respectivos tempos (verde $4\ \text{s}$, amarelo $1\ \text{s}$, vermelho $4\ \text{s}$) e explique por que o programa é escrito como um laço que nunca termina.

Você quer que um LED se acenda quando a luminosidade do cômodo ficar abaixo de determinado nível. Explique qual pino você usa para ler o LDR (um analógico), o que significa definir um «limiar» no programa e escreva em pseudocódigo as três linhas fundamentais: ler, comparar e atuar.

O sensor de ultrassom mede distâncias como um morcego. Explique o princípio (emite um pulso de som e mede quanto tempo o eco demora para voltar), por que razão tem dois «olhos» (um emite e o outro escuta) e duas situações em que pode falhar: objetos macios que absorvem o som e superfícies inclinadas que desviam o eco.

Para movimentar a cancela de um estacionamento você pode usar um servomotor ou um motor de corrente contínua. Compare ambos: qual alcança uma posição exata e permanece imóvel, qual gira sem parar, qual precisa de menos componentes eletrônicos adicionais neste projeto e por quê.

Descreva o comportamento de um robô que desvia de obstáculos em linhas gerais: o que o sensor frontal mede, o que o robô faz quando o caminho está livre e que sequência executa ao detectar algo próximo (parar, girar, verificar novamente). O que aconteceria se ele tivesse apenas o sensor voltado para a frente?

Os motores de um robô não são alimentados a partir de um pino da placa, mas sim da bateria através de uma placa «controladora de motores». Explique por quê (os pinos fornecem muito pouca corrente e o motor exigiria muito mais), que função a placa controladora desempenha e que relação isso tem com o relé dos circuitos eletrônicos.

O seu programa deveria acender um LED ao pressionar um botão, mas acontece o contrário: ele está aceso e apaga ao pressionar. Explique duas causas possíveis (a lógica do programa está invertida ou o botão está ligado ao contrário, em «nível lógico baixo») e como você verificaria cada uma delas.

Um grupo de alunos programou um semáforo de pedestres com botão com a seguinte lógica: assim que o pedestre pressiona o botão, o semáforo de veículos passa de verde a vermelho de forma instantânea e o de pedestres fica verde durante 15 s. Após testá-lo em uma maquete viária, observam freadas bruscas dos veículos e engarrafamentos contínuos se vários pedestres apertarem repetidamente o botão.

1. a) Justifique duas falhas de segurança e fluidez viária que este programa inicial apresenta.
2. b) Desenhe o fluxograma ou a sequência temporal corrigida (indicando entradas, saídas e tempos recomendados) para resolver ambos os problemas, incorporando uma fase de transição (amarelo) e garantindo um tempo mínimo de verde contínuo para carros antes de atender outra chamada de pedestres.
3. c) Se você quiser adicionar um aviso sonoro intermitente para pessoas com deficiência visual durante os últimos 3 s do verde para pedestres, como deve modificar a temporização dessa saída?

Em um estacionamento de 10 vagas controlado por cancela, um estudante propõe este algoritmo: «O sensor de entrada soma 1 aos carros no interior ao detectar um veículo e abre a cancela; o sensor de saída subtrai 1 ao sair; se os carros no interior chegarem a 10, acende-se a luz de COMPLETO e a cancela não abre». Durante a primeira semana de testes, o sistema marca COMPLETO havendo vagas livres, e às vezes a cancela atinge o teto dos carros.

1. a) Analise e identifique duas situações físicas reais pelas quais o contador se desregula ao longo das horas (pistas: veículos que desistem após acionar o sensor, passagem de pedestres, falsas detecções).
2. b) Desenhe a lógica de controle completa (especificando condições com os sensores de entrada, cancela e saída) para que a contagem seja confiável e não dependa de uma única leitura instantânea.
3. c) Que condição de segurança deve ter prioridade absoluta na programação para garantir que a cancela nunca desça enquanto houver um obstáculo ou veículo passando?

Você está desenhando a calibração e a montagem de um robô seguidor de linha que percorre um circuito branco com uma linha preta de 2 cm de largura. O robô dispõe de dois sensores infravermelhos de refletância ($S_I$ e $S_D$) montados na parte frontal e tração diferencial com dois motores independentes.

1. a) Preveja que comportamento errôneo o robô terá se você montar os sensores separados por apenas 1 cm entre si (distância menor do que a largura da linha). E se você os separar 6 cm? Justifique qual deve ser a separação geométrica ideal.
2. b) Desenhe a tabela de decisões do robô indicando o estado de cada motor (para a frente, parado ou marcha à ré) para cada uma das 4 combinações possíveis de leitura (Branco/Preto).
3. c) Ao chegar a uma curva fechada à esquerda, se o robô apenas desligar o motor esquerdo e mantiver o direito para a frente, tende a sair da linha por inércia. Justifique que alteração você deve fazer no controle dos motores para conseguir uma rotação muito mais fechada sobre o próprio eixo.

Você é encarregado de projetar o sistema de controle e registro de uma estação ambiental para uma estufa escolar por meio de uma placa programável.

1. a) Selecione três sensores adequados para monitorar as condições das plantas, classifique-os em analógicos ou digitais e justifique a taxa de amostragem ideal para cada um (argumente por que medir a temperatura a cada 10 ms seria um erro técnico e por que medi-la uma vez por dia seria insuficiente).
2. b) Escreva a condição lógica booleana que ative simultaneamente a ventilação e a irrigação automática se a temperatura superar os 32 °C e a umidade do solo cair abaixo dos 30 %.
3. c) Ao analisar os dados do registro gráfico diário, você observa que às 13:00 a leitura de luminosidade é máxima, mas a sonda de temperatura marca de repente 0 °C durante 15 minutos antes de voltar a 28 °C. Interprete essa anomalia, justificando se ela se deve a um fenômeno meteorológico ou a uma falha instrumental (fiação/sensor).

Deves desenhar o sistema de controlo autónomo para um robô estafeta de biblioteca que transporta livros entre dois postos (Mesa 1 e Mesa 2) guiando-se por uma linha no chão. O ciclo completo consiste em: aguardar a ordem de partida através de um botão de pressão, seguir a linha até encontrar uma marca transversal de paragem, imobilizar-se e avisar com um sinalizador sonoro (buzzer) durante 3 s, aguardar que o utilizador retire o livro (detetado por um sensor de presença ou peso), e regressar à Mesa 1 realizando uma rotação de 180° para ficar pronto para o serviço seguinte.

1. a) Identifique os sensores e atuadores necessários, classificando cada um conforme seja de entrada ou de saída.
2. b) Desenhe a máquina de estados ou fluxograma do sistema, indicando com precisão os diferentes estados do robô e qual condição desencadeia a transição para o estado seguinte.
3. c) Adicione ao projeto um protocolo de segurança reativa: qual sensor você deve incorporar e como deve atuar o ciclo principal se um aluno cruzar a menos de 20 cm do robô em movimento?