Agradecimentos Institucionais: À equipe técnica de laboratório do IESTI/UNIFEI, em especial aos técnicos em eletrônica José Anderson Reis e Nedson Joaquim Maia, pelo auxílio instrumental de bancada, suporte de montagem e retrabalho de protótipos; e ao Prof. Dr. Rodrigo Maximiano Antunes de Almeida pelas orientações e direcionamento técnico durante a validação experimental.

Visão Geral da Placa de Circuito Impresso (PCB)

A placa física foi projetada respeitando dimensões compactas de $80 \times 80\text{ mm}^2$ em substrato de fibra de vidro FR-4 de duas camadas condutivas, espessura de 1,6 mm, acabamento superficial HASL com chumbo, máscara de solda verde e serigrafia branca, fabricada pela JLCPCB.

BOM Interativo (iBOM): O repositório inclui a lista de materiais interativa gerada pelo plugin Interactive HTML BOM. Para navegar visualmente por cada componente, ilha e footprint na placa, abra em seu navegador o arquivo KiCad/Projeto_Final/bom/ibom.html.

Arquitetura de Hardware & Subcircuitos

O sistema é subdividido em 5 subsistemas funcionais integrados:

graph TD
    PS["1. Subcircuito de Alimentação<br/>Jack DC 7-12V -> LD1117 5.0V & 3.3V"] --> MCU["2. Processamento Central<br/>NXP LPC11U14F ARM Cortex-M0 @ 48MHz"]
    PS --> COMM["5. Comunicação Serial<br/>FTDI FT232RL USB-UART"]
    PS --> HMI["3. Interface Homem-Máquina<br/>LCD 16x2, Encoder Bourns, 4x Teclas, LEDs"]
    PS --> PERIPH["4. Periféricos & Armazenamento<br/>EEPROM I2C 24LC512 + Headers Expansão"]

    MCU <-->|"UART 115200 bps"| COMM
    MCU <-->|"Barramento I2C 3.3V"| PERIPH
    MCU <-->|"GPIOs & PWM / Timers"| HMI
    MCU <-->|"ADC 10-bit / SPI / Expansão"| PERIPH

1. Subcircuito de Alimentação

• Entrada: Conector Jack fêmea P4 (PJ-002A) compatível com fontes externas DC na faixa de 7V a 12V.
• Proteção: Diodo Schottky 1N5819HW-7-F em série para bloqueio contra inversão de polaridade e transientes.
• Regulação Linear em Cascata:
  • LD1117DT50TR (DPAK): Converte a tensão de entrada para o barramento de 5.0V DC (alimentação do display LCD).
  • LD1117S33TR (SOT-223): Fornece 3.3V DC regulados (para microcontrolador, transceptor USB e EEPROM).
• Filtragem e Desacoplamento: Associação de capacitores eletrolíticos de $10\ \mu\text{F}$ e cerâmicos multicamada X7R de $220\text{ nF}$ nas entradas e saídas. LED piloto indicador de barramento energizado com resistor limitador de $1\text{ k}\Omega$.

2. Subcircuito de Processamento

• MCU: NXP LPC11U14F/201 em encapsulamento LQFP-48, núcleo ARM Cortex-M0 operando a até 48 MHz, dotado de 32 KB de memória Flash, 6 KB de SRAM, 4 KB de EEPROM integrada e controlador USB full-speed.
• Oscilador de Clock: Cristal de quartzo de alta precisão de 12.000 MHz (CTS ATS12A) associado a capacitores de carga externos dimensionados em 18 pF.
• Reset e Bootloader ISP:
  • Reset mestre com botão táctil SW1, pull-up de $4.7\text{ k}\Omega$ e capacitor de debounce de $10\ \mu\text{F}$.
  • Chave de programação em sistema (ISP) SW6 com pull-up, interligada ao pino oficial de bootloader PIO0_1 (Pino 4).
• Depuração / Programação: Header SWD (Serial Wire Debug) com pinos SWDIO (Pino 39) e SWDCLK (Pino 29).

3. Subcircuito de Interação com o Usuário (IHM)

• Display Alfanumérico: LCD 16×2 (compatível com controlador HD44780 / JHD162A) operando em barramento paralelo de 4 bits (D4 a D7), com controle pelos sinais RS, R/W e ENABLE. Ajuste de contraste via trimpot de precisão de $10\text{ k}\Omega$.
• Encoder Rotativo Incremental: Bourns PEC12R com 24 pulsos por rotação, canais em quadratura A e B, botão de clique central e filtro RC passivo anti-ruído mecânico (debounce).
• Teclado Táctil: 4 chaves tácteis push-button (SW2, SW3, SW4, SW5) com resistores de pull-up de $10\text{ k}\Omega$.
• Sinalizadores Visuais: Três LEDs SMD (D2, D3, D4) acionados diretamente pelas saídas digitais do microcontrolador com resistores limitadores de $100\ \Omega$.

4. Subcircuito de Periféricos & Armazenamento

• Memória EEPROM Externa: Microchip 24LC512 (512 Kbit / 64 KByte) operando via barramento I²C com resistores de pull-up de $1\text{ k}\Omega$ polarizados em 3.3V.
• Barramentos de Expansão: Headers macho de passo 2.54 mm (J4 a J8) expondo portas analógicas do ADC (10 bits), barramento SPI (SCK, MISO, MOSI, SSEL), alimentação e GPIOs livres.
• Condicionamento de Sinal: Canal de amplificação operacional para transdução de sinais analógicos externos com compensação de ganho em software (GANHO_AMPOP).

5. Subcircuito de Comunicação Serial

• Transceptor USB-UART: Chip dedicado FTDI FT232RL (SSOP-28) realizando a ponte entre o barramento USB da estação hospedeira e as portas seriais assíncronas do microcontrolador (PIO0_18/RXD e PIO0_19/TXD).
• Conector Físico: Porta Mini-USB Tipo B com filtragem e desacoplamento de alta frequência.

Verificação de Regras Elétricas (ERC) e de Layout (DRC)

Durante o desenvolvimento no KiCad 9, a conformidade de conexões e fabricabilidade foi atestada:

Board Bring-Up: Modificações Físicas & Memorial de Cálculos

Durante a etapa prática de validação e bring-up em bancada com osciloscópio digital e multímetro de precisão, foram diagnosticadas discrepâncias no circuito original que demandaram engenharia de retrabalho (cortes de trilhas na PCI, soldagem de jumpers de precisão e readequação de componentes passivos).

1. Dimensionamento dos Capacitores de Carga do Cristal Oscilador (C25 e C26)

• Problema Diagnosticado: O esquemático original previa erroneamente capacitores de $10\ \mu\text{F}$ nas linhas XTALIN e XTALOUT. O excesso de reatância capacitiva aterrou os sinais de alta frequência e impediu qualquer ressonância do cristal de quartzo de 12 MHz, travando a inicialização do núcleo ARM.
• Memorial de Cálculo da Capacitância Externa ($C_{ext}$): O cristal de quartzo de 12 MHz (CTS ATS12A) especifica capacitância de carga nominal $C_L = 12\text{ pF}$. A capacitância parasita combinada das trilhas da PCI e pinos do chip é estimada em $C_s \approx 3\text{ pF}$. Como os dois capacitores de carga externos são idênticos ($C_1 = C_2 = C_{ext}$): $$C_L = \frac{C_1 \cdot C_2}{C_1 + C_2} + C_s = \frac{C_{ext}^2}{2 \cdot C_{ext}} + C_s = \frac{C_{ext}}{2} + C_s$$ $$C_{ext} = 2 \cdot (C_L - C_s) = 2 \cdot (12\text{ pF} - 3\text{ pF}) = 2 \cdot 9\text{ pF} = \mathbf{18\text{ pF}}$$
• Ação Realizada: Substituição imediata dos capacitores $C_{25}$ e $C_{26}$ por cerâmicos C0G/NP0 de 18 pF, viabilizando a oscilação estável do clock a 12 MHz.

2. Constante de Tempo do Filtro RC do Encoder Rotativo

• Problema Diagnosticado: O filtro RC do encoder SW7 continha capacitores de $10\ \mu\text{F}$ com pull-ups de $10\text{ k}\Omega$, gerando constante de tempo $\tau = 100\text{ ms}$. Isso deformava os trens de pulso de quadratura durante giros normais, impossibilitando a leitura do sentido de rotação.
• Memorial de Cálculo de Resposta em Frequência e Debounce: Para filtrar o repique de contato mecânico (bouncing, típico de dezenas a centenas de microssegundos conforme Bourns) sem degradar giros manuais rápidos, os capacitores foram redimensionados para $C = 10\text{ nF}$: $$\tau = R \cdot C = (10 \times 10^3\ \Omega) \cdot (10 \times 10^{-9}\text{ F}) = 100\ \mu\text{s} = \mathbf{0.1\text{ ms}}$$ A frequência de corte do filtro passa-baixas resultante é: $$f_c = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot R \cdot C} = \frac{1}{2 \cdot \pi \cdot 100\ \mu\text{s}} \approx \mathbf{1.59\text{ kHz}}$$
• Ação Realizada: Troca dos capacitores para 10 nF, garantindo imunidade a repiques mecânicos e leitura instantânea de rotação em ambos os sentidos.

3. Tensão Lógica e Corrente de Dreno (Sink) no Barramento I²C

• Problema Diagnosticado: Os resistores de pull-up $R_1$ e $R_2$ ($1\text{ k}\Omega$) estavam conectados à malha de 5.0V. Pela especificação oficial do protocolo I²C, a corrente de dreno em nível baixo ($I_{OL}$) em saídas open-drain não deve ultrapassar $3.0\text{ mA}$ para assegurar $V_{OL} \le 0.4\text{ V}$. $$I_{OL(5V)} = \frac{5.0\text{ V} - 0.4\text{ V}}{1\text{ k}\Omega} = \mathbf{4.6\text{ mA}} \quad (\text{Excede o limite normativo de 3 mA!})$$
• Memorial de Cálculo com Alimentação Corrigida em 3.3V: $$I_{OL(3.3V)} = \frac{3.3\text{ V} - 0.4\text{ V}}{1\text{ k}\Omega} = \mathbf{2.9\text{ mA}} \quad (< 3.0\text{ mA}, \text{em estrita conformidade})$$
• Ação Realizada: Corte da ilha de 5V e ligação por jumper dos resistores de pull-up $R_1$ e $R_2$ à tensão de 3.3V do pino 8 da EEPROM (U5).

4. Dimensionamento dos Resistores Limitadores dos LEDs (D2, D3, D4)

• Problema Diagnosticado: Com resistores originais de $1\text{ k}\Omega$ sob alimentação de 3.3V e queda direta $V_F = 2.0\text{ V}$ dos LEDs verdes Lite-On, a corrente era inexpressiva: $$I_{LED} = \frac{3.3\text{ V} - 2.0\text{ V}}{1\text{ k}\Omega} = \mathbf{1.3\text{ mA}}$$
• Memorial de Cálculo para Corrente Nominal de Sinalização ($R_d$): Para assegurar fluxo luminoso adequado com corrente de $\approx 13\text{ mA}$ (dentro do limite máximo de 40 mA por porta do LPC11U14F): $$R_d = \frac{V_{DD} - V_F}{I_{desejado}} = \frac{3.3\text{ V} - 2.0\text{ V}}{13\text{ mA}} = \frac{1.3\text{ V}}{0.013\text{ A}} = \mathbf{100\ \Omega}$$
• Ação Realizada: Instalação de resistores SMD de 100 Ω (código 101).

5. Retrabalhos Físicos de Roteamento (Cortes e Jumpers)

1. Migração LPC1114 -> LPC11U14F: Adaptação da distribuição de pinos do microcontrolador e inclusão do header LPC11Uxx.h no firmware.
2. LCD ENABLE (E): Trilha cortada no pino 19 (USB_DM) e religada por jumper ao pino 13 (PIO1_20).
3. LCD DATA 4 (DB4): Trilha cortada no pino 20 (USB_DP) e religada por jumper ao pino 24 (PIO1_28).
4. Tecla Bootloader ISP (SW6): Desconectada do pino 25 e religada por jumper ao pino 4 (PIO0_1), pino de hardware que força a entrada no bootloader ISP ROM do LPC11U14F.
5. Linha de Expansão EXP01: Desviada para o pino 1 do conector J5 (associada ao pino 25 PIO1_31).
6. Proteção de Barramento USB (VBUS): Corte da trilha que injetava 5V do conector Mini-USB no barramento da placa, eliminando circulação de corrente indesejada entre a fonte externa e o computador hospedeiro.

Arquitetura de Software & Firmware Embarcado

O firmware foi desenvolvido em C (padrão C99) bare-metal para microcontroladores ARM Cortex-M0, estruturado em uma arquitetura orientada a eventos e baseada em uma Máquina de Estados Finitos (FSM - Finite State Machine) determinística.

Diagrama UML da Arquitetura do Software

O design modular desacopla a camada de aplicação/controle da camada de drivers de baixo nível de hardware:

Diagrama da Máquina de Estados Finitos (FSM)

A lógica central da aplicação é governada por estados mutuamente exclusivos que respondem a eventos gerados assincronamente pelo teclado, encoder, temporizadores ou recepção serial:

Tabela de Estados Principais:

Estrutura Modular do Código-Fonte (Código/PBLE02/src/)

• programa.c / .h: Ponto de entrada (main), rotinas de inicialização de clock e laço infinito (smLoop e processaComandoSerial).
• ctl/stateMachine.c / .h: Implementação da FSM, definição dos estados e lógica de transição.
• ctl/event.c / .h: Amostragem periódica de periféricos e fila circular de eventos (EV_UP, EV_DOWN, EV_ENTER, EV_CANCEL, etc.).
• ctl/timer.c / .h: Configuração da interrupção periódica SysTick (base de tempo de 1 ms).
• ctl/var.c / .h: Gestão de variáveis globais do sistema, strings de menu multilíngue e controle de alarmes.
• ctl/output.c / .h: Mapeamento das saídas visuais e atualização de display.
• hardware/LCD.c / .h: Driver de baixo nível para display alfanumérico HD44780 em barramento de 4 bits.
• hardware/ENCODER.c / .h: Decodificador de quadratura dos canais A/B do encoder Bourns.
• hardware/Teclado.c / .h: Varredura das teclas tácteis de navegação com debounce digital.
• hardware/EEPROM.c / .h & I2C.c / .h: Driver mestre I²C para leitura/gravação não-volátil de blocos na memória 24LC512.
• hardware/RTC.c / .h: Relógio de tempo real implementado por software com base no SysTick.
• hardware/Serial.c / .h: Driver assíncrono UART com buffer circular de recepção/transmissão e decodificador ASCII.
• hardware/ADC.c / .h & DAC.c / .h: Amostragem analógica de 10 bits e conversão D/A.
• hardware/LED.c / .h: Acionamento e controle de estados dos LEDs.

Protocolo de Telemetria e Comandos Serial (UART @ 115200 bps)

O transceptor USB-Serial executa um parser de comandos ASCII permitindo tanto a consulta (getters) quanto a calibração remota de parâmetros (setters):

Mapa de Pinos do Microcontrolador LPC11U14F

Diagrama oficial do encapsulamento LQFP-48 e mapa de conexão das portas com o hardware físico:

Balanço Elétrico & Consumo de Potência

A estimativa do consumo total do protótipo foi calculada considerando correntes máximas em regime contínuo:

Orçamento e Custos de Fabricação

• Lote de Componentes Eletrônicos (BOM): US$ 29,54 (aquisição em distribuidores autorizados como Mouser e Digi-Key).
• Manufatura das Placas (JLCPCB): US$ 2,00 (lote com 5 unidades em FR-4 dupla face, 1.6 mm, 1 oz cobre, acabamento HASL).
• Logística e Envio Internacional: US$ 3,30 (frete econômico internacional).
• Investimento Consolidado: US$ 34,84 (custo unitário de fabricação da placa avulsa de apenas US$ 1,06).

Guia de Compilação e Gravação

1. Ferramentas Necessárias

• KiCad EDA: Versão 9.0.2 ou superior.
• IDE C/C++: MCUXpresso IDE ou Eclipse com GCC ARM Embedded (arm-none-eabi-gcc).
• Gravador Serial: Flash Magic (ferramenta oficial NXP para microcontroladores LPC).

2. Procedimento de Gravação via Bootloader ISP

1. Conecte a placa ao computador utilizando um cabo Mini-USB conectado à porta serial FTDI.
2. Segure pressionado o botão SW6 (ISP).
3. Pressione e solte o botão SW1 (RESET).
4. Solte o botão SW6. O microcontrolador entrará no bootloader ISP gravado em ROM.
5. Abra o Flash Magic, configure:
   • Device: LPC11U14/201
   • COM Port: Porta serial atribuída ao chip FTDI
   • Baud Rate: 115200
   • Interface: None (ISP)
   • Oscillator (MHz): 12
6. No campo Hex File, selecione o binário compilado localizado em Código/PBLE02/Release/PBLE02.bin.
7. Marque Erase blocks used by Firmware e clique em Start para regravar o microcontrolador.

Estrutura de Diretórios do Repositório

.
├── Código/
│   └── PBLE02/
│       ├── .cproject
│       ├── .project
│       ├── PBLE02.fmx
│       ├── configFlashMagic.fmx
│       └── src/
│           ├── ctl/               # Lógica de Controle, FSM, Temporizador, Eventos
│           │   ├── event.c / .h
│           │   ├── output.c / .h
│           │   ├── stateMachine.c / .h
│           │   ├── timer.c / .h
│           │   └── var.c / .h
│           ├── hardware/          # Drivers dos Periféricos de Baixo Nível
│           │   ├── ADC.c / .h
│           │   ├── DAC.c / .h
│           │   ├── EEPROM.c / .h
│           │   ├── ENCODER.c / .h
│           │   ├── LCD.c / .h
│           │   ├── LED.c / .h
│           │   ├── Memoria.c
│           │   ├── RTC.c / .h
│           │   ├── Serial.c / .h
│           │   └── Teclado.c / .h
│           ├── cr_startup_lpc11xx.c
│           ├── I2C.c / .h
│           ├── programa.c / .h    # Ponto de entrada (main) e laço operacional
│           ├── sysinit.c
│           └── util.c / .h
├── KiCad/
│   └── Projeto_Final/
│       ├── bom/
│       │   └── ibom.html          # Interactive HTML BOM (iBOM dinâmico)
│       ├── Footprints/            # Bibliotecas de footprints locais
│       ├── Projeto_Final.kicad_pcb # Layout da placa de circuito impresso
│       ├── Projeto_Final.kicad_sch # Esquema elétrico hierárquico
│       ├── Projeto_Final.kicad_pro # Arquivo de projeto do KiCad
│       └── sym-lib-table
├── docs/
│   └── images/                    # Imagens, renderizações 3D, diagramas e fotos
│       ├── pcb_3d_top_corrected.png
│       ├── pcb_3d_bottom_corrected.png
│       ├── pcb_3d_top_original.png
│       ├── fig01_circuito_alimentacao.png
│       ├── fig02_circuito_processamento_original.png
│       ├── fig03_circuito_processamento_corrigido.png
│       ├── fig04_circuito_interacao_original.png
│       ├── fig05_circuito_interacao_corrigido.png
│       ├── fig06_circuito_perifericos_original.png
│       ├── fig08_circuito_comunicacao_original.png
│       ├── fig09_circuito_comunicacao_corrigido.png
│       ├── fig10_erc_erros_originais.png
│       ├── fig11_erc_verificacao_corrigida.png
│       ├── drc_errors_original.png
│       ├── drc_report_corrected.png
│       ├── mcu_pinout_lpc11u14.png
│       ├── firmware_fsm_state_machine.png
│       └── uml_software_architecture.svg
├── Documentacao.pdf               # Relatório técnico completo da disciplina (66 páginas)
├── uml.svg                        # Diagrama UML original em vetor
├── .gitignore                     # Filtro de arquivos temporários e binários de build
├── LICENSE                        # Licença MIT
└── README.md                      # Documentação técnica consolidada do repositório

Licença

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