Como usar sinais analógicos no NodeMCU com o LM358 Deixe um comentário

Nos últimos anos vimos uma grande expansão no leque de opções relacionadas a placas de desenvolvimento e prototipagem. O ambiente maker que era dominado pelos Arduinos mais tradicionais (Placa Uno e Nano) passou a ser inundado por novas ferramentas. Dentre elas podemos citar os pequenos módulos ESP8266 e suas variações, como a famosa NodeMCU. Neste post, vamos mostrar como você pode usar sinais analógicos no NodeMCU ESP8266, mas é um princípio que pode ser usado nos outros módulos e placas da linha ESP8266, e até mesmo servir como base para outros projetos eletrônicos, já que uma das dúvidas comuns entre os makers é sobre como condicionar o sinal de sensores analógicos para adequá-lo às limitações destas novas plataformas.

Este artigo irá abordar algumas técnicas possíveis de serem utilizadas no condicionamento de sinais analógicos. Essas técnicas são adaptáveis a qualquer outra plataforma, mas neste artigo iremos focar nas características/limitações da popular NodeMCU e outros microcontroladores alimentados em 3,3V.

Principais materiais utilizados

Sinais analógicos no NodeMCU ESP8266

A placa NodeMCU se popularizou bastante após o surgimento dos módulos ESP8266, em especial por permitir a comunicação WiFi, conferindo mobilidade aos projetos. Como características relevantes podemos citar a circuitaria básica para seu funcionamento, além da quantidade de pinos, principalmente quando comparada com um módulo mais simples como a ESP8266 ESP-01.

Apesar do módulo ESP8266 estar no mercado a um bom tempo, o mesmo ainda carece de certas informações técnicas (seu datasheet é por demais resumido). Em especial com relação ao seu ADC faltam informações úteis aos projetos, mas sabemos que sua resolução é de 10bit, com tensão máxima de 1V. Ou seja, utilizar a entrada analógica pode ser um pequeno desafio.

Para facilitar as coisas a NodeMCU já conta com um atenuador de sinais através de um divisor resistivo, que condiciona tensões entre 0 e 3,3V ao nível do ADC de 0 a 1,0V. Segundo o esquemático da mesma, os resistores tem valor 220kΩ e 100kΩ respectivamente, conforme pode ser visto a seguir. O esquemático da placa pode ser encontrado neste link.

Sinais analogicos no NodeMCU ESP8266

Mesmo o limite de 3,3V da NodeMCU costuma dificultar um pouco as coisas na hora de interfacear os sensores analógicos mais tradicionais, preparados para trabalhar com 5V e com saídas analógica também de 0 a 5V. Como exemplo podemos citar desde uma simples medição de tensão de uma bateria ou fonte, até sensores como o ACS712 para medição da corrente consumida por algum dispositivo.

Métodos para condicionar os sinais

Existem diversos métodos de se condicionar sinais analógicos mantendo sua integridade e características. Partirei do mais básico visto que podemos ir incrementando o método de acordo com as necessidades e possibilidades.

Caberá a você escolher qual das técnicas se encaixa melhor, levando em consideração complexidade, custo e desempenho.

O divisor resistivo

O primeiro método, e base para os próximos, é um simples divisor resistivo. Um divisor resistivo é formado pela associação de pelo menos dois resistores em série, onde de acordo com a relação entre suas resistências é possível se obter um sinal de saída menor e proporcional ao sinal analógico original.

Divisor de tensãoComo principal característica deste método podemos citar seu custo, afinal, você precisa de basicamente 2 resistores, podendo utilizar também um resistor variável para ajudar manualmente o divisor. Outra característica importante é que este método de condicionamento de sinais tende a não interferir nas características do sinal analógico, não adicionando ruído e não distorcendo a forma da onda (caso for um sinal AC).

A partir dos valores de R1, R2 e Vin podemos calcular qual a tensão na saída, conforme mostra a fórmula a seguir. Além disso, definindo um valor para Vin, Vout e para um dos dois resistores é possível se obter o valor do outro.

Fórmula divisor de tensãoComo ferramenta útil para facilitar seu desenvolvimento, indico a utilização da calculadora disponível neste link. Ela permite verificar o valor de Vout em função dos resistores ou mesmo calcular os resistores a partir das tensões de entrada, saída e da definição de um dos resistores.

Uma dica prática, evite que a soma dos resistores tenha valor inferior a 10kΩ, visto que isto elevaria o consumo e dissipação térmica. Um ponto bastante importante em dispositivos móveis ou alimentados por baterias.

Apesar das características positivas citadas anteriormente, este método possui suas limitações, em especial com relação a impedância de saída do sensor e de entrada do ADC.

Imagine a seguinte situação, você precisa atenuar o sinal de um Sensor X que possui elevada impedância de saída. Para conseguir captar totalmente seu sinal será necessário que o divisor resistivo tenha um valor muito maior que o da impedância do sensor. Neste ponto podemos pensar “ok, podemos resolver isso utilizando R1 e R2 com valores bastante elevados…”, correto!? Mais ou menos… Isso amenizará o efeito de carga sobre o sensor, mas poderá criar um problema para a entrada do conversor ADC, visto que nem sempre sua impedância será elevada o suficiente a ponto de compensar a etapa anterior.

Imagine um sensor com tensão máxima de 5V e com resistência de saída de 1kΩ. Precisamos adequar o sinal para os 3,3V da NodeMCU. Para isso utilizaremos o circuito a seguir com R1 e R2 valendo 220kΩ e 390kΩ, respectivamente. Antes de conectar a entrada analógica a tensão estará nos níveis esperados, mas ao conectarmos a tensão cairá devido a interação entre os circuitos e ao efeito de carga do segundo divisor de tensão. Você pode testar uma simulação aqui.

Efeito de cargaPara corrigir essa deficiência iremos adicionar um componente ativo bastante versátil e importante no mundo analógico, o Amplificador Operacional, ou AmpOp como irei chamar.

Atenuador de sinal ativo com AmpOp

Como nosso objetivo é a parte mais prática da coisa, deixarei de lado a história dos AmpOp’s bem como a dedução das fórmulas relacionadas às configurações mais tradicionais. Caso tiver interesse de se aprofundar um pouco mais, indico a leitura desta série que escrevi para o portal Embarcados.

Como principais características para nossa solução devo citar a elevada impedância de entrada do AmpOp, em alguns casos chegando a casa dos Tera Ohms (isso mesmo, você não leu errado), e também sua baixa impedância de saída. Desta maneira mostra-se como um elemento perfeito para o casamento de impedâncias entre duas etapas de um circuito.

Para esta aplicação, uma das configurações mais tradicionais é a de Buffer. Nesta configuração o amplificador terá ganho unitário, servido apenas para casar as impedâncias e “isolar” os circuitos. O esquema de um buffer pode ser visto a seguir.

Buffer amplificador operacional

Uma das limitações dos AmpOps é que nem todos os modelos funcionam bem sem alimentação simétrica (positiva e negativa). Ao mesmo tempo essa é uma limitação da maioria dos projetos envolvendo microcontroladores em geral já que utilizamos apenas alimentações positiva (5V, 3,3V). Neste ponto já descarto o uso do tradicional modelo 741, que apesar de ser um clássico vendido até hoje, não se comporta bem com fonte simples.

Indico o AmpOp LM358, um modelo bastante interessante e que funciona bem com alimentação simples, mesmo em baixas tensões. Vale lembrar que a tensão de saída no LM358 será entre 1,3V e 1,5V menor que o limite máximo de alimentação devido a suas limitações construtivas, e este valor pode variar de acordo com a corrente da carga.

Amplificador Operacional LM358Lembra-se do efeito de carga causado pela impedância do divisor nativo da NodeMCU? Iremos anular este efeito utilizando um buffer entre a saída do divisor resistivo e a entrada analógica da placa.

Circuito AmpOpVeja a diferença, sem o buffer o sinal na entrada do ADC é atenuado INDEVIDAMENTE (efeito de carga). Com a introdução do buffer a entrada analógica passará a receber toda a tensão disponível na saída do divisor resistivo externo. Você pode testar uma simulação aqui.

Adicionando proteções

O circuito anterior é totalmente funcional, mas dependendo das circunstância pode ser interessante proteger as entradas do AmpOp e também sua saída (entrada analógica da placa).

Uma maneira bastante eficiente e comum de realizar esta proteção é utilizar diodos formando um limitador de tensão que irá seifar o excesso de tensão após a polarização do diodo.

Um circuito completo é apresentado a seguir:

circuito_compLembre-se que a tensão sobre dois elementos em paralelo é a mesma. o diodo D1 terá como função limitar tensões que excedam “VDD + Vd”. De maneira análoga o diodo D2 evitará que tensões reversas danifiquem a entrada do AmpOp, limitando seu valor a “-Vd”. O Diodo D3 protege ao mesmo tempo a saída do AmpOp, além de evitar que a tensão na entrada analógica ultrapasse a tensão de “VDD + Vd”. Para o circuito apresentado, mesmo um problema no AmpOp que elevasse sua saída a 5V, resultaria em 3,97V na entrada analógica e 1,24V na entrada do ADC. Um valor que não irá prejudicar a mesma, em especial pela limitação de corrente causada pelos resistores R9 e R11.

Neste link é possível simular o comportamento do circuito proposto (facilitando modificações para outras plataformas).

Tanto a proteção da entrada como saída são opcionais, mas indico utilizar pelo menos os diodos na entrada e evitar que algum distúrbio externo danifique o AmpOp.

Exemplo – Monitorando a tensão no conector USB

Imagine que você necessita monitorar a tensão fornecida através do conector USB que alimenta sua NodeMCU, a mesma tensão presente no pino VU (Entre o pino G e o pino S3).

Iremos modificar um pouco o projeto. Iremos aumentar a tensão de entrada para 5,1V dando um pouco mais de margem dinâmica. Com isso iremos recalcular os resistores. Como o valor de 390kΩ é menos usual, iremos utilizar o valor 470kΩ para R2 e através da calculadora online obtemos R1 como 256kΩ, um valor não comum. Iremos substituí-lo por dois resistores com 47kΩ e 220kΩ em série, resultando em um resistor equivalente de 267kΩ, valor próximo do calculado. O restante do circuito será o mesmo, conforme pode ser visto a seguir.

circuito_comp_nodemcu

O circuito montado no protoboard virtual do Fritzing para leitura de sinais analógicos no NodeMCU pode ser visto a seguir e o arquivo pode ser baixado no meu github.

Circuito Sinais Analógicos no NodeMCUIrei utilizar a IDE Arduino para uma programação rápida, verificando o valor convertido através da comunicação serial. Você pode incrementar mais o projeto de acordo com sua necessidade, criando por exemplo uma página que possa ser acessada via Wifi pelo browser.

A seguir é apresentado o código para leitura de sinais analógicos no NodeMCU desenvolvido dentro da IDE Arduino. O resultado da conversão será apresentado via terminal serial. Note que os valores de R1 e R2 que adotei não são os valores teóricos, mas sim os que medi com um multímetro. Mas porque fazer isso!? Para minimizar erros na medição. Devido a tolerância dos resistores, talvez ocorra algum desvio. Mas caso você não tiver um multímetro em mãos, sem problemas, utilize os valores teóricos mesmo.

/* Programa: Sinais analogicos no NodeMCU ESP8266
 * Conditioning analog signal to NodeMCU
 * - Conditioning an analog signal bigger than 3.3v
 * using an active circuit with OpAmp LM358
 * the article about this code is available in:
 * https://www.filipeflop.com/author/haroldo-amaral/
 * -------------------------------------------------
 * condicionando sinal analógico para NodeMCU
 * - condicionando um sinal analógico maior que 3.3v
 * utilizando um circuito ativo com o AmpOp LM358
 * o artigo sobre este código esta disponível em:
 * https://www.filipeflop.com/author/haroldo-amaral/
 * 
 * developed by: Haroldo Amaral - agaelema@gmail.com
 * 2017/05/24 - v 1.0
 */
 
// some constants - algumas constantes
const unsigned int analogInPin = A0;    // Analog input - pino analógico
const float analogLimit = 3.3;          // Limit of Analog In. - Limite da entrada analogica
const float R1 = 46700 + 217000;        // Valores medidos - teóricos de 47k + 220k
const float R2 = 450000;                // valor medido - teórico de 470k
 
// used variables - variáveis utilizadas
unsigned int RAWanalogInput = 0;        // save the RAW value of A0 - armazena o valor RAW de A0
float analogInputVoltage = 0;           // save the converted A0 voltage - armazena a tensão convertida de A0
float Vusb = 0;                         // save the Vusb voltage - armazena a tensão Vusb
 
void setup()
{
  // setup the serial communication - configura a comunicacao serial
  Serial.begin(115200);
}
 
void loop()
{
  // read the analog input - le a entrada analogica
  RAWanalogInput = analogRead(analogInPin);
 
  // print RAW value - imprime o valor RAW
  Serial.print("RAW value: "); Serial.println(RAWanalogInput);
 
  // convert RAW value in voltage - converte o valor RAW em tensao
  analogInputVoltage = (float)RAWanalogInput * (analogLimit/1024);
  // print A0 voltage - imprime a tensao em A0
  Serial.print("ADC voltage: "); Serial.println(analogInputVoltage);
 
  // calculate the Vusb voltage - calcula a tensao Vusb
  Vusb = analogInputVoltage * (R1 + R2) / R2;
  // print Vusb voltage - imprime a tensao Vusb
  Serial.print("Vusb voltage: "); Serial.println(Vusb);
  
  delay(500);
}

A imagem a seguir apresenta o valor no terminal dos sinais analógicos no NodeMCU junto com a medição realizada pelo multímetro. Veja que os resultados são bastante próximos e coerentes.Comparação de leituraOs arquivos deste projeto (sketches e esquemático do Fritzing) podem ser baixados no meu repositório GitHub.

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