Aula 1 — Como a protoboard funciona: trilhas, colunas e jumper

Objetivos

• Desenhar no papel a matriz de contatos de uma protoboard de 830 pontos e dizer o que cada trilha conecta.
• Escolher o tipo de jumper certo para cada ligação: macho-macho, macho-fêmea e fêmea-fêmea.
• Montar uma ligação na protoboard conferindo, pela luz do LED, que o circuito realmente fechou.
• Diagnosticar, pela leitura do pino, um jumper que ficou fora da coluna.

Material

• 1 ESP32 DevKit V1 por aluno, com o cabo USB
• 1 protoboard de 830 pontos por aluno
• 1 jogo de jumpers macho-macho, macho-fêmea e fêmea-fêmea por aluno
• 2 a 5 LEDs de 3,3 V e 2 a 5 resistores de 330 Ω por aluno
• 1 módulo de alimentação MB102 por dupla
• Folha com o desenho da protoboard para desenhar, uma por aluno

Conceitos

O que há dentro da protoboard

Uma protoboard de 830 pontos tem, sob o plástico, uma matriz de contatos metálicos elásticos. Nada é gravado, nada é soldado: cada ponto é uma mola de metal que aperta e solta quando você enfia a perna de um componente.

Duas direções de organização:

• Trilha horizontal, indicada por letras (a, b, c, d, e): os cinco pontos da linha estão ligados entre si, exceto na linha central, onde há um corte.
• Coluna vertical, indicada por números (1 a 63): cada ponto da coluna é um contato sozinho.

A linha central é a peça que o aluno mais esquece. Ela existe justamente para permitir dois circuitos independentes na mesma protoboard, sem um jumper de corte.

O corte no meio

Na fileira central, os cinco pontos da esquerda e os cinco da direita não se tocam. Isso significa que um resistor entre a1 e b1 não tem ligação nenhuma com um jumper entre a10 e b10.

O erro clássico é montar o circuito atravessando a linha central sem perceber, e aí o professor passa dez minutos procurando fio faltando num circuito que está inteiro.

Os três tipos de jumper

O jumper não entra pela lateral da protoboard. Ele entra pela frente, pelo buraco, e a ponta traseira não precisa atravessar nada: o contato fecha por pressão.

Perna de componente entra na coluna

Resistor e LED com perna precisam ocupar dois pontos da mesma coluna (ou dois pontos unidos por um jumper). A perna não "viaja" pela trilha horizontal; ela ocupa uma coluna e fecha com o que estiver na mesma coluna.

É esse detalhe que explica o defeito mais comum da bancada: o aluno liga o LED na trilha + da protoboard e diz que "está na linha vermelha", mas o pino do resistor está na coluna 15 e o LED na coluna 20. Não estão juntos, e o circuito não fecha.

Montagem por trilhas, não por fio a fio

A prática do dia: distribua a alimentação em trilhas, e use colunas para as ligações de sinal. Duas trilhas de alimentação (+ e -) alimentam a protoboard inteira, e cada componente ganha uma coluna só para ele. Com essa disciplina, o professor acha qualquer falha em dez segundos.

Atividade

Montagem:

• Resistor de 330 Ω com uma perna na coluna 1 e a outra na coluna 10.
• Jumper fêmea-fêmea ligando a coluna 1 à trilha + da protoboard.
• LED com a perna mais longa na coluna 10 e a mais curta na coluna 11.
• Jumper fêmea-fêmea ligando a coluna 11 à trilha - da protoboard.
• Jumper macho-fêmea do GPIO2 da placa para a coluna 10.

Note que o GPIO2, o resistor e o anodo do LED estão todos na coluna 10. O catodo do LED vai para o -.

1. Desenhe no papel a matriz da protoboard, marcando a linha central e a posição das colunas 1 a 63. Marque no desenho onde ficaram o resistor, o LED e os três jumpers.
2. Grave a resolução e confirme que o LED pisca no ritmo da linha --- testes rapidos na bancada --- do serial.
3. Teste na bancada: junte dois pontos da mesma letra e depois dois pontos de letras diferentes. Escreva no caderno, em duas linhas, o que aconteceu em cada caso e por quê.
4. Desligue o jumper do GPIO2 e confirme que o LED apaga. Depois reconecte-o pelo centro da linha, e não pela borda, e veja se o circuito ainda fecha. Explique o que aconteceu.
5. Desloque o jumper do GPIO2 uma coluna para o lado, de propósito, e meça a leitura no serial. Diga o que mudou e qual foi o ponto do circuito que ficou aberto.
6. Refaça a mesma ligação usando jumper macho-fêmea no lugar do fêmea-fêmea na coluna 10. Diga se o circuito ainda fecha e por que.

Nota: 10 pontos. Critério de fim: o desenho está no caderno, o LED acende com o circuito completo e o item 5 está medido e escrito.

Resolucao

// Aula 1 do dia 6: como a protoboard funciona.
//
// A protoboard não é uma placa de circuito: é uma matriz de contatos de metal
// escondidos sob o plástico. Este sketch não usa hardware nenhum — ele explica
// as trilhas no monitor serial, para o professor passar a apontar com a
// protoboard na mão enquanto a turma acompanha a figura.

#include <Arduino.h>

// Nenhuma peça é montada nesta aula: o sketch é o mapa. O LED só existe para
// dar um sinal de vida no começo e no fim, e prova que a placa está rodando.
const int PINO_LED = 2;
const int INTERVALO_MS = 3000;
const int NUMERO_DE_COLUNAS = 63;   // matriz de 64 contatos, numerados de 1 a 64

void setup() {
  pinMode(PINO_LED, OUTPUT);

  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  Serial.println("=== dia 6, aula 1: o mapa da protoboard ===");
  Serial.println();
  Serial.println("linha 1");
  Serial.println("      - - - + + + - - -");
  Serial.println("linha 5      ^  ^  ^      corte no meio: os dois");
  Serial.println("                  |  |      barramentos nao se tocam");
  Serial.println("linha 1      a  b  c      a b c sao TRILHAS diferentes");
  Serial.println("      - - - + + + - - -");
  Serial.println();
  Serial.println("Regras da bancada:");
  Serial.println("  1. Trilha em T (letra) atravessa a linha inteira sem corte.");
  Serial.println("  2. Coluna (numero) e um contato so.");
  Serial.println("  3. O espaco do meio separa dois barramentos que nao falam.");
  Serial.println("  4. Perna do resistor e do LED andam na COLUNA, nao na trilha.");
  Serial.println();
  Serial.print("Colunas por linha: ");
  Serial.println(NUMERO_DE_COLUNAS);
  Serial.println();
  Serial.println("Sabendo disso, monte a trilha: 5V -> pino 13, pino 13 -> resistor.");
}

void loop() {
  digitalWrite(PINO_LED, HIGH);

  Serial.println();
  Serial.println("--- testes rapidos na bancada ---");
  Serial.println("a) Jumpere dois pontos da MESMA letra. Os dois pinos falam.");
  Serial.println("b) Jumpere a letra A com a letra F. Nao falam: sao trilhas distintas.");
  Serial.println("c) Cruze dois jumpers num ponto so da coluna. Isso faz curto entre eles.");
  Serial.println();

  delay(INTERVALO_MS);
  digitalWrite(PINO_LED, LOW);
}

Por que assim e não de outro jeito. Esta aula não tem sensor nem peça nova: o sketch é um mapa que o professor lê em voz alta enquanto passa a protoboard na mão. O LED só pisca para dar sinal de vida entre uma parte e outra, e o delay(3000) dá tempo de o professor falar sem o serial atropelar.

O número de colunas vem de uma constante, e não de um 63 solto no meio do código. Na semana letiva, a protoboard de alguns alunos tem 400 pontos e de outros tem 830; quem escreve o número na hora em vez de declarar a constante tem dois códigos diferentes no mesmo trimestre.

O sketch não promete medir a protoboard. Ele imprime o que o professor está fazendo na bancada e o que a turma precisa testar com as próprias mãos. O que é verificável na prova de hoje é a montagem e o desenho, e o portão compila o mapa só para o professor ter o texto na tela durante a explicação.

Criterios de correcao

Erros comuns

Desafio extra

Monte na mesma protoboard dois circuitos independentes, um em cima da linha central e outro embaixo, usando apenas a linha central como separação. Diga no caderno por que os dois não se misturam mesmo sem nenhum jumper entre eles, e explique o que aconteceria se você colocasse uma ponte de jumper atravessando o corte.

A resolucao, compilada

// Aula 1 do dia 6: como a protoboard funciona.
//
// A protoboard não é uma placa de circuito: é uma matriz de contatos de metal
// escondidos sob o plástico. Este sketch não usa hardware nenhum — ele explica
// as trilhas no monitor serial, para o professor passar a apontar com a
// protoboard na mão enquanto a turma acompanha a figura.

#include <Arduino.h>

// Nenhuma peça é montada nesta aula: o sketch é o mapa. O LED só existe para
// dar um sinal de vida no começo e no fim, e prova que a placa está rodando.
const int PINO_LED = 2;
const int INTERVALO_MS = 3000;
const int NUMERO_DE_COLUNAS = 63;   // matriz de 64 contatos, numerados de 1 a 64

void setup() {
  pinMode(PINO_LED, OUTPUT);

  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  Serial.println("=== dia 6, aula 1: o mapa da protoboard ===");
  Serial.println();
  Serial.println("linha 1");
  Serial.println("      - - - + + + - - -");
  Serial.println("linha 5      ^  ^  ^      corte no meio: os dois");
  Serial.println("                  |  |      barramentos nao se tocam");
  Serial.println("linha 1      a  b  c      a b c sao TRILHAS diferentes");
  Serial.println("      - - - + + + - - -");
  Serial.println();
  Serial.println("Regras da bancada:");
  Serial.println("  1. Trilha em T (letra) atravessa a linha inteira sem corte.");
  Serial.println("  2. Coluna (numero) e um contato so.");
  Serial.println("  3. O espaco do meio separa dois barramentos que nao falam.");
  Serial.println("  4. Perna do resistor e do LED andam na COLUNA, nao na trilha.");
  Serial.println();
  Serial.print("Colunas por linha: ");
  Serial.println(NUMERO_DE_COLUNAS);
  Serial.println();
  Serial.println("Sabendo disso, monte a trilha: 5V -> pino 13, pino 13 -> resistor.");
}

void loop() {
  digitalWrite(PINO_LED, HIGH);

  Serial.println();
  Serial.println("--- testes rapidos na bancada ---");
  Serial.println("a) Jumpere dois pontos da MESMA letra. Os dois pinos falam.");
  Serial.println("b) Jumpere a letra A com a letra F. Nao falam: sao trilhas distintas.");
  Serial.println("c) Cruze dois jumpers num ponto so da coluna. Isso faz curto entre eles.");
  Serial.println();

  delay(INTERVALO_MS);
  digitalWrite(PINO_LED, LOW);
}

Sem saída de compilação gravada. Rode python3 validar.py -t 1 dia06 aula1.

Aula 2 — Alimentacao: MB102, 5 V, 3,3 V e GND

Objetivos

• Identificar as três saídas do módulo MB102 e dizer o que cada uma entrega.
• Separar, no circuito, o que é sinal de 3,3 V e o que é sinal de 5 V.
• Explicar o papel do GND como caminho de volta da corrente, e não como "fio negativo".
• Medir a tensão com a própria entrada analógica da placa e comparar com o valor que o professor leu no multímetro.

Material

• 1 ESP32 DevKit V1 por aluno, com o cabo USB
• 1 protoboard de 830 pontos e 1 jogo de jumpers por aluno
• 1 módulo de alimentação MB102 por dupla
• 2 a 5 LEDs de 3,3 V e 2 a 5 resistores de 330 Ω por aluno
• 1 multímetro de bancada, um para cada dupla
• Folha com a ponte de resistores desenhada, uma por dupla

Conceitos

O módulo MB102

O MB102 não é uma bateria nem um carregador: é um repetidor de alimentação. Ele recebe uma tensão de entrada e oferece essa mesma energia em barramentos prontos para a protoboard, com um regulador interno que faz a conversão para 3,3 V.

As saídas que importam:

Com a placa ligada na USB, a entrada do MB102 é o próprio 5V da placa. Sem fonte externa, o módulo não tem o que alimentar: é por isso que o LED de energia dele só acende com a USB conectada.

5 V e 3,3 V: qual usar onde

A regra do curso inteiro cabe em uma frase: 5V alimenta, 3V3 é sinal.

Alimentar significa dar energia para um componente que vai consumir corrente: LED, motor, módulo de relé. Sinal significa o valor que entra e sai dos pinos de dados: botão, potenciômetro, divisor de tensão do ADC.

Colocar sinal de 5 V num pino do ESP32 é o caminho para queimar o pino: os pinos funcionam com 3,3 V, e 5 V é mais do que eles suportam. É a razão de o kit ter um conversor de nível lógico, que entra justamente nas aulas de display e sensor.

GND não é "negativo"

Corrente precisa de caminho de ida e de volta. A energia sai do 5V, atravessa o componente, e volta pelo GND. Sem o GND ligado, o circuito não fecha: o componente não tem por onde a corrente voltar, e não trabalha.

Duas consequências práticas que o aluno vai usar a semana toda:

1. Tudo compartilha o mesmo GND. Placa, MB102, sensor e protoboard precisam estar ligados no mesmo GND, ou a referência de tensão não é a mesma dos dois lados.
2. GND errado é sintoma de "não funciona". Se o sensor responde com número maluco, a primeira coisa a conferir é se os dois GNDs estão ligados juntos.

Ponte de resistores: o divisor de tensão

O ADC do ESP32 mede com segurança até perto de 3,3 V, mas com atenuação padrão chega a ler bem menos. Para medir uma tensão maior sem queimar o pino, usa-se um divisor de tensão: dois resistores em série entre a tensão e o GND, e a leitura sai do ponto onde eles se encontram.

tensaoReal = tensaoNoPino * (R1 + R2) / R2;

Com dois resistores iguais, o ponto do meio fica em exatamente metade da tensão de entrada. É o circuito mais usado do curso inteiro: ele aparece na medição da fonte, na leitura do LDR do dia 8 e na ponte do HC-SR04 do dia 11.

O erro do divisor é sempre o mesmo: colocar o resistor no lugar errado e o ponto de leitura sai no lugar errado. O lado de cada resistor importa.

Medir com a própria placa

analogReadMilliVolts devolve a leitura do ADC já convertida em milivolts, usando a referência interna medida da placa — e não um 3,3 V chutado no código. Por isso o número da placa raramente bate exatamente com o multímetro, e a diferença é esperada: as duas referências são diferentes, e a do ADC tem tolerância.

O número que importa para o aluno é a ordem de grandeza e a estabilidade: se a ponte estiver firme, o número fica parado; se o jumper estiver solto, o número pula.

Atividade

Montagem:

• MB102 com a entrada 5V ligado ao 5V da placa.
• Jumper fêmea-fêmea levando 3V3 do MB102 até a trilha + da protoboard.
• Jumper fêmea-fêmea levando GND do MB102 até a trilha - da protoboard.
• Resistor de 330 Ω da coluna 1 à coluna 5.
• Segundo resistor de 330 Ω da coluna 5 à coluna 9.
• Jumper do GPIO35 para a coluna 5, que é o ponto do meio da ponte.
• Jumper da coluna 9 para o GND.

Os dois resistores de 330 Ω iguais formam a ponte. O pino mede o ponto do meio, que deve ficar em cerca de metade da tensão da fonte.

1. Meça com o multímetro a tensão entre 5V e GND, entre 3V3 e GND e entre as colunas 1 e 9. Anote os três valores na folha.
2. Meça com o multímetro o ponto do meio, na coluna 5. Diga quanto falta para ser exatamente a metade da tensão medida no item 1 entre as colunas 1 e 9, e justifique a diferença.
3. Grave a resolução e compare o número do mV que aparece no serial com a sua medida do item 2. Diga qual dos dois está mais perto do valor do 3V3 do item 1.
4. Desconecte apenas o jumper do GND da coluna 9 e observe o serial por dez segundos. Anote o que aconteceu com o número e diga por que.
5. Troque o resistor da coluna 5 por um de 1 kΩ e grave. Anote o novo valor de mV e calcule, no caderno, quanto vale a soma dos dois resistores e quanto vale a razão entre eles.
6. Escreva no caderno a linha que converte a tensão do meio da ponte na tensão real da fonte, usando a fórmula do divisor. Diga o que aconteceria se você usasse essa linha com dois resistores de valores muito diferentes.

Nota: 10 pontos. Critério de fim: a ponte está montada, o serial mostra um valor estável de milivolts e os itens 4 e 5 estão medidos e escritos.

Resolucao

// Aula 2 do dia 6: alimentação, MB102, 5 V, 3,3 V e GND.
//
// Último dia do bloco de C++. O sketch não mede nada que a placa não consiga
// medir: ele lê a própria fonte de alimentação pela entrada analógica, que é
// exatamente o que o professor faz com um multímetro. O valor numérico do
// ambiente não importa — o que importa é a diferença entre o que a fonte diz
// e o que a placa leu.

#include <Arduino.h>

const int PINO_MEDICAO = 35;          // GPIO35 é só entrada e não tem pull-up interno
const int LED_5V = 2;
const int LED_3V3 = 4;

// Precisa do divisor de tensão do kit: um resistor de 330 e um de 330, ou
// 10 kΩ e 10 kΩ, formam a ponte que leva 3,3 V para dentro da faixa do ADC.
const float TENSAO_REFERENCIA = 3.3;
const int LEITURA_MAXIMA_ADC = 4095;

unsigned long instanteDaLeitura = 0;

void setup() {
  pinMode(LED_5V, OUTPUT);
  pinMode(LED_3V3, OUTPUT);

  // O GPIO35 não tem resistor de pull-up interno, como o GPIO34. Deixá-lo
  // como INPUT flutuante faz a leitura vir qualquer coisa.
  pinMode(PINO_MEDICAO, INPUT);

  analogReadResolution(12);
  analogSetPinAttenuation(PINO_MEDICAO, ADC_11db);

  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  Serial.println("=== dia 6, aula 2: alimentacao e medicao ===");
  Serial.println();
  Serial.println("Alimente o MB102, faca a ponte de resistores e leia o numero.");
  Serial.println("O valor lido vem da sua bancada, nao de um numero pronto.");
  Serial.println();
  Serial.println("cru | mV");
}

void loop() {
  unsigned long agora = millis();

  if (agora - instanteDaLeitura >= 1000) {
    instanteDaLeitura = agora;

    int cru = analogRead(PINO_MEDICAO);

    // analogReadMilliVolts converte a leitura em milivolts usando a
    // referência interna do ADC. E mais preciso que multiplicar por 3.3 na
    // mão, porque ele usa a referência medida da placa e não um 3.3 fixo.
    int milivolts = analogReadMilliVolts(PINO_MEDICAO);

    Serial.print(cru);
    Serial.print("   |   ");
    Serial.println(milivolts);

    // Os dois LEDs marcam as duas trilhas do MB102. Qualquer um acender
    // prova que a alimentação está chegando na protoboard — e os dois
    // apagados é o sintoma de jumper solto, não de placa queimada.
    digitalWrite(LED_5V, cru > 0 ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(LED_3V3, cru > 0 ? HIGH : LOW);
  }

  // Nada de delay aqui: o laço fica livre e o professor pode aproximar a
  // mão da ponte de resistores para ver o número variar na hora.
}

Por que assim e não de outro jeito. O sketch mede a própria fonte de alimentação pela entrada analógica. É a mesma coisa que o professor faz com o multímetro, só que com a placa: o aluno aprende que o analogRead serve para qualquer tensão, inclusive a que alimenta o circuito.

O pino é o GPIO35 e não o GPIO34 por um motivo específico: o GPIO34 tem resistor de pull-up interno, e deixar essa ligação em paralelo com o pull-up carrega a ponte e falseia a leitura. O GPIO35 é entrada pura, sem nada interno, e a ponte manda no número.

A ponte de dois resistores iguais aparece porque é a menor prova de que o ADC mede o ponto que a turma manda medir. Com dois resistores de 330 Ω, o ponto do meio fica em metade da tensão, e o número do serial tem de concordar com o multímetro dentro da tolerância da referência do ADC.

Os dois LEDs não estão ali por decoração: eles são o indicador de "chegou alimentação na protoboard". Os dois apagados é o sintoma de jumper solto, e essa é a primeira coisa que o professor olha antes de suspectar da ponte.

O loop não tem delay. O aluno aproxima a mão dos resistores e o número muda na hora, e essa é a prova de que a medição está lendo de verdade e não repetindo um valor guardado.

Criterios de correcao

Erros comuns

Desafio extra

Substitua a ponte por uma de três resistores iguais em série, com a leitura na emenda entre o primeiro e o segundo. Meça, calcule a tensão prevista e compare com o serial. Depois escreva no caderno por que a leitura de uma ponte de três resistores iguais é diferente da ponte de dois, e qual delas daria menos erro de leitura na mesma fonte.

A resolucao, compilada

// Aula 2 do dia 6: alimentação, MB102, 5 V, 3,3 V e GND.
//
// Último dia do bloco de C++. O sketch não mede nada que a placa não consiga
// medir: ele lê a própria fonte de alimentação pela entrada analógica, que é
// exatamente o que o professor faz com um multímetro. O valor numérico do
// ambiente não importa — o que importa é a diferença entre o que a fonte diz
// e o que a placa leu.

#include <Arduino.h>

const int PINO_MEDICAO = 35;          // GPIO35 é só entrada e não tem pull-up interno
const int LED_5V = 2;
const int LED_3V3 = 4;

// Precisa do divisor de tensão do kit: um resistor de 330 e um de 330, ou
// 10 kΩ e 10 kΩ, formam a ponte que leva 3,3 V para dentro da faixa do ADC.
const float TENSAO_REFERENCIA = 3.3;
const int LEITURA_MAXIMA_ADC = 4095;

unsigned long instanteDaLeitura = 0;

void setup() {
  pinMode(LED_5V, OUTPUT);
  pinMode(LED_3V3, OUTPUT);

  // O GPIO35 não tem resistor de pull-up interno, como o GPIO34. Deixá-lo
  // como INPUT flutuante faz a leitura vir qualquer coisa.
  pinMode(PINO_MEDICAO, INPUT);

  analogReadResolution(12);
  analogSetPinAttenuation(PINO_MEDICAO, ADC_11db);

  Serial.begin(115200);
  Serial.println();
  Serial.println("=== dia 6, aula 2: alimentacao e medicao ===");
  Serial.println();
  Serial.println("Alimente o MB102, faca a ponte de resistores e leia o numero.");
  Serial.println("O valor lido vem da sua bancada, nao de um numero pronto.");
  Serial.println();
  Serial.println("cru | mV");
}

void loop() {
  unsigned long agora = millis();

  if (agora - instanteDaLeitura >= 1000) {
    instanteDaLeitura = agora;

    int cru = analogRead(PINO_MEDICAO);

    // analogReadMilliVolts converte a leitura em milivolts usando a
    // referência interna do ADC. E mais preciso que multiplicar por 3.3 na
    // mão, porque ele usa a referência medida da placa e não um 3.3 fixo.
    int milivolts = analogReadMilliVolts(PINO_MEDICAO);

    Serial.print(cru);
    Serial.print("   |   ");
    Serial.println(milivolts);

    // Os dois LEDs marcam as duas trilhas do MB102. Qualquer um acender
    // prova que a alimentação está chegando na protoboard — e os dois
    // apagados é o sintoma de jumper solto, não de placa queimada.
    digitalWrite(LED_5V, cru > 0 ? HIGH : LOW);
    digitalWrite(LED_3V3, cru > 0 ? HIGH : LOW);
  }

  // Nada de delay aqui: o laço fica livre e o professor pode aproximar a
  // mão da ponte de resistores para ver o número variar na hora.
}

Sem saída de compilação gravada. Rode python3 validar.py -t 1 dia06 aula2.