Teclados A/D

Introdução

Sempre que for necessário coletar informações em campo, no chão de fábrica, ou mesmo passar “orientações” a um pequeno robô, podemos utilizar um teclado.  Para enviar informações, ou instruções, utilizamos uma tecla ou um conjunto delas.

Quando temos uma ou poucas teclas a ideia inicial é termos uma I/O para cada tecla. Essa solução esbarra em 2 problemas

• Hardware: exige muitas I/Os
• Software: exige um consumo excessivo de software para leitura de teclas. Esse problema pode ser contornado pelo acionamento da leitura das teclas a uma interrupção externa.

   

Teclados matriciais.

Uma forma interessante foi associar as teclas em forma de matriz. 

Essa solução diminui sensivelmente o número de I/Os utilizadas a medida que cresce o número de teclas. As mais populares utilizam grupos de 12 ou 16 teclas:

   

 

No diagrama abaixo temos um exemplo de implementação de um teclado matricial de 12 teclas.

Em termos de hardware temos uma redução de I/Os, sendo maior quanto o número de teclas (matriz maior). Para 12 teclas em forma de matriz temos 7 I/Os, sendo 4 linhas e 3 colunas.

Essa redução provoca um crescimento de software, pois a rotina de leitura.

O acionamento rotina de leitura pode ser associada a interrupção externa que exige uma I/O adicional (interrupção externa).

A rotina de leitura consiste em ativar uma das colunas (1) e deixar as outras desativadas (0). Desta forma inicia-se a varredura das linhas e identificar qual linha está ativada (1), desta maneira, pode-se identificar qual tecla foi pressionada. Na sequência deve-se repetir o processo para cada coluna. Ao final do processo é possível identificar a tecla pressionada.

Essa rotina torna-se extensa, mesmo que o número de teclas seja reduzido e acaba tornando o software extenso. Para o caso de teclas pressionadas simultaneamente a rotina trona-se ainda mais complexa.

   

Conversor A/D

Utilizando um conversor A/D o número de I/Os diminui a uma única entrada analógica, se o periférico existir no microcontrolador.

Um exemplo de solução é apresentada no livro “Micontroladores PIC18 – Aprenda e Programe em Linguagem C” de Alberto Noboru Miyadaira, página 281.

Dessa forma cada tecla pressionada produz uma tensão diferente na saída do circuito. A identificação passa apenas pela identificação da faixa de valores convertidos. Essa faixa deve ser criada pela tolerância dos componentes envolvidos. A escala de valores absolutos pode ser obtida a partir de uma simples simulação do circuito.

A questão de duas ou mais teclas pressionadas simultaneamente produz novos valores de tensão e por consequência novos valores obtidos no A/D, ou seja, basta adicionar novas faixas de pesquisa de acordo com as combinações desejadas.

A questão de isolação da rotina de leitura também é resolvida por uma interrupção externa.

   

Atividade 1

Identificando valores de conversão para cada tecla (divisor de tensão)

               Implemente um sketch para ler a entrada analógica e apresentar o valor no LCD (ou monitor serial).

 

1. Elabore o hardware no simulador.

2. Preencha a tabela abaixo baseado nos dados obtidos do simulador.

3. Elabore o hardware físico.

4. Preencha a tabela abaixo baseado nos dados do obtidos no hardware físico.

5. Compare os valores obtidos no simulador e no hardware físico e explique por que as diferenças.

   

Atividade 2

Inserção de tensões de referências no conversor A/D

Utilizando o maior valor de tensão obtido em “Teclados - Atividade 1” calibre uma tensão referência positiva (Aref) “um pouco acima” do maior valor de tensão obtido.

Dicas de implementação

1. Utilize o sketch da Atividade 1 como base 
2. Inclua o tensão de referencia externa do conversor A/D (SETUP)


Preencha a tabela abaixo baseado nos dados do obtidos no hardware físico.

Descreva o que aconteceu mudou em relação a atividade anterior (Teclados - Atividade 1)

   

Atividade 3

Identificando teclas por faixa de valores do A/D

Com base no programa desenvolvido em “Teclados – Atividade 2” (Inserção de tensões de referências no conversor A/D), implemente o software para identificar as teclas e mostrar no LCD.

Dicas de implementação

I - Dividindo a faixa de valores do conversor

1. Supondo que foi obtido os valores mínimos e máximos (exemplo hipotético) para cada tecla na Atividade 2:

• Tecla 1: 800 - 850
• Tecla 2: 400 - 430
• Tecla 3: 230 - 270
• Tecla 4: 50 - 58

2. Posicione os valores em uma reta considerando o menor e maior valores possíveis do conversor A/D (0 e 1023)

3. Calcule a distância entre o menor valor da Tecla 3 (230) e o maior valor da Tecla 4 (58)

4. Divida o espaço encontrado (172) em 2 partes iguais (86)

 5. Encontre o ponto médio entre a Tecla 4 e a Tecla 3 (144)

 6. Repita o processo para encontrar os pontos médios entre a Tecla 3 e Tecla 2, e o ponto médio entre a Tecla 2 e a Tecla 1

7. Arbitre valores entre 0 e o menor valor a Tecla 4 (15), e entre o maior valor da Tecla 1 e 1023 (1000), de forma que esses valores não atinjam o mínimo (0) e o máximo (1023)

II - Identificando as teclas

Com base nos valores inicias e finais de cada faixa, implemente testes (if) que testem se o valor está dentro de cada faixa e indique no LCD qual foi a tecla pressionada.

• if (valor_convertido > 15 && valor_convertido<144) “imprime_no_lcd (“Tecla 4”);

• if (valor_convertido > 144 && valor_convertido<335) “imprime_no_lcd(“Tecla 3”);

• if (valor_convertido > 335 && valor_convertido<615) “imprime_no_lcd(“Tecla 2”);

• if (valor_convertido > 615 && valor_convertido<1000) “imprime_no_lcd(“Tecla 1”);

   

Atividade 4

Identificando teclas por ranges com o teclado por A/D com interrupção.

1. Carregue o programa da Atividade 2 do teclado.

2. Monte o hardware acima

3. Ajuste  Aref um pouco acima da maior tecla.

4. Pressione cada tecla e anote os valores convertidos mínimo e máximo.

5. Criar a nova tabela de ranges (explicado na Atividade 3).

5. Utilize o programa da Atividade 03 como base para criar a Atividade 4:

• Introduza uma função de interrupção que ao ser acionada selecione uma variável como verdadeira (state = TRUE;).
• Coloque  ação do loop (leitura do conversor A/D e identificação de tecla dentro de uma condição if
• if (state == TRUE) {
• delay (100);
• leitura A/D
• Identificação de tecla
• state = LOW;
• }

6. Teste o programa no simulador. Lembre que os valores de hardware são diferentes de simulação, onde os componentes possuem características ideias. 

7. Apresente o programa com o hardware.

   

Atividade 5

Teclado matricial com 16 teclas por conversor A/D e interrupção

Abaixo o hardware para a montagem do teclado com 16 teclas.

1. Carregue o programa da Atividade 2 do teclado.

2. Monte o hardware acima

3. Ajuste  Aref um pouco acima da maior tecla.

4. Pressione cada tecla e anote os valores convertidos mínimo e máximo.

5. Criar a nova tabela de ranges (explicado na Atividade 3). 

          Planilha para cálculo dos ranges com 16 teclas

6. Utilize como base o programa da atividade 04 e faça a identificação de cada tecla por interrupção.

   

Descrição da pinagem do teclado de membrana