Entendendo os Resistores de Pull-Up e Pull-Down

Introdução

Muitas vezes, na realização de projetos, os makers se deparam com a necessidade do microcontrolador compreender o mundo externo. Esta necessidade é suprida tanto pelo uso de sensores, quanto pelo uso de botões mecânicos. 

Entretanto, a falta de atenção na montagem de circuitos elétricos pode abrir brechas para que interferências indesejadas sejam interpretadas, por exemplo, pelo Arduino, ocasionando em erros durante a execução de um programa. Nesse sentido, será explorado o fenômeno da flutuação no uso de botões, conceituando-a e identificando meios para evitá-la.

O Problema

Pela perspectiva do ser humano, um botão pode assumir duas posições: não apertado e apertado. De forma análoga, para o microcontrolador, as duas possíveis posições se traduzem em nível lógico: Low/High → 0/1 → Gnd/Vcc. Por consequência, seja pelo lado humano, seja pelo lado eletrônico, o click de botão é visto como uma mudança de posição/estado. 

Seguindo o raciocínio apresentado, visando detectar o estado do botão e apresentar o fenômeno da flutuação, partiremos para a atividade prática. 

Materiais necessários para o projeto de exemplo

• Arduino Uno
• Push button 6x6x6
• Protoboard
• Jumpers

Esquema de ligação

Figura 1

Código

#define Pino_botao 3 //Define que o botão encontra-se no pino 3 do Arduino 

void setup() {
  pinMode(Pino_botao, INPUT); //Declara o pino como entrada 
  Serial.begin(9600); //Inicializa a Serial Monitor com baudrate de 9600
}

void loop() { 
  //Lê a porta digital e printa a leitura (0/1) na Serial Monitor 
  //ou no Plotter Serial
  Serial.println(digitalRead(Pino_botao)); 
}

Funcionamento

Com o suporte das ilustrações acima podemos analisar a montagem. Na teoria, quando o botão fosse apertado, haveria Vcc na porta digital, culminando no nível lógico 1. Porém, quando o botão fosse solto, nenhuma tensão, oriunda da fonte principal de energia, estaria presente na porta digital. Neste ponto encontra-se o problema: a ausência de tensão confiável deixa o pino à mercê de interferências. 

No vídeo, podemos perceber tais perturbações. Quando o botão encontra-se solto — ausência de tensão —, as interferências eletromagnéticas deixam o pino em nível lógico alto/High. Também podemos identificar que simples toques no fio levam o microcontrolador detectar ora nível lógico 1, ora nível lógico 0. 

Esse cenário configura a flutuação.

A documentação do Arduino já alertava para o problema explorado: Se o pino não está conectado a nada, DigitalRead() pode retornar tanto HIGH como LOW (e isso pode mudar aleatoriamente).

A grande questão é que não conseguimos detectar um mero estado de botão com confiabilidade. Logo, como seremos capazes de detectar um click, já que este depende diretamente do estado do botão ?

Como Resolver o Problema

Para contornar o problema, utilizaremos resistores nas configurações Pull-up/Pull-down.

Pull-up

O esquema de ligação padrão para esta configuração é ilustrado pela Figura 2. Quando o botão estiver solto, o Vcc fluirá pelo resistor R1 chegando na porta digital (Figura 3.1). Quando o botão for pressionado, o Gnd fluirá pelo contato da chave — sem maiores resistências — alcançando o pino do microcontrolador (Figura 3.2).

Na prática, quando o botão estiver solto, o microcontrolador reconhecerá nível lógico 1, por isso a nomenclatura pull-up (puxar para cima): normalmente para cima/nível lógico High. Todavia, enquanto a chave for pressionada, o microcontrolador reconhecerá nível lógico 0.

Figura 2

Figura 3.1

Figura 3.2

Pull-down

A Figura 4 ilustra o esquema de ligação padrão para esta configuração. Quando o botão estiver solto, o Gnd fluirá pelo resistor R1 chegando na porta digital (Figura 5.1). Quando o botão for pressionado, o Vcc fluirá pelo contato da chave — sem maiores resistências — alcançando o pino do microcontrolador (Figura 5.2). 

Na prática, quando o botão estiver solto, o microcontrolador reconhecerá nível lógico 0 (Gnd), por essa razão a nomenclatura pull-down (puxar para baixo): normalmente para baixo/nível lógico 0. Contudo, enquanto a chave for pressionada, o microcontrolador identificará nível lógico 1 .

Figura 4

Figura 5.1

Figura 5.2

Podemos perceber que fazendo uso dos resistores de pull-up/pull-down o problema da flutuação é resolvido. Ao aplicar tais configurações no circuito, em nenhum momento a porta digital deixa de receber tensões confiáveis, estando o botão apertado ou não.

Economizando com hardware

Um bom maker deve conhecer as funcionalidades e peculiaridades do hardware que trabalha. Nesse sentido, uma característica bem interessante acerca do ATmega328p, microcontrolador presente no Arduino, são os resistores internos de pull-up associados a todos os pinos de I/O dos ports B, C e D (acesse aqui para mais detalhes acerca dos ports).

Figura 6 – Resistor interno de pull-up destacado.  Fonte: ATmega328p Datasheet

** O resistor interno de pull-up funciona nos mesmos moldes da configuração explicada anteriormente e dispensa o uso de um resistor externo. 

Para os curiosos e desbravadores do baixo nível, fica o convite para acessarem o datasheet do ATmega328p e conhecerem o modo de acionamento do resistor interno de pull-up. Por enquanto, é importante saber que a ativação ou não do resistor dá-se por uma série de portas lógicas, cujos comportamentos são configurados nos registradores do microcontrolador. A Arduino IDE abstrai bastante todas as manipulações para ativação do resistor em questão, bastando inserir a flag INPUT_PULLUP na função pinMode(). 

pinMode(pino, INPUT_PULLUP);

Portanto, é importante dominar os recursos que o microcontrolador oferece, visto que o altos custos de se produzir hardware no Brasil pode inviabilizar alguns projetos. Nesse ponto, entra o conhecimento, como o resistor interno de pull-up apresentado, visando reduzir os custos.

Conclusão

Neste post aprendemos como é importante ter atenção na montagem dos seus circuitos eletrônicos, onde uma flutuação na tensão pode levar a sérios problemas na captação do sinal.

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Até a próxima!

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Sobre o Autor

João Senirio Amante da tecnologia e apaixonado por desenvolvimento de software e hardware.