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Introdução

Este artigo parte do princípio que você já começou a fazer alguns experimentos com Arduino.
Se você não conhece nada sobre Arduino, dá uma olhada neste material sensacional sobre o assunto no Manual do Mundo.

Placa Arduino Uno. Clique sobre os números para ver o nome do componente.

Botão

Imagine que eu tenho uma lâmpada ligada a uma bateria através de fios. Se eu cortar um desses fios, interrompendo a passagem de energia, consequentemente a lâmpada irá apagar.
Se eu reconectar do fio rompido a lâmpada volta a acender.

O botão é um componente de acionamento mecânico que encosta o contato de fios quando pressionado, fechando o circuito e fazendo com que os elétrons possam atuar nos componentes envolvidos.

No exemplo a seguir temos um circuito elétrico representando uma fonte de energia, uma lâmpada e um botão.
Clique sobre o botão para fechar o circuito e ver como ele se comporta:

Arduino

Quando montamos um circuito com Arduino, o botão se mostra um componente muito útil, pois através dele podemos acionar as entradas digitais e fazer com que ao receber esta informação um comando de programação possa ser executado.
O acionamento da porta digital de um Arduino Uno, por exemplo, é ligada ou desligada conforme recebe ZERO Volts ou 5 Volts, alterando seu nível lógico.

• Botão pressionado, 5V na entrada digital: nível lógico Alto
• Botão solto, 0V (teórico) na entrada digital: nível lógico Baixo

*Além do botão, chaves, relés, transistores e outros componenetes podem acionar as entradas digitais utilizando o mesmo princípio.

Estado flutuante

Até então expliquei como a coisa funciona na teoria, mas na verdade, quando o botão está solto o circuito fica aberto e eu não estou enviando realmente ZERO Volts, mas sim um valor flutuante.
Isso porque o fio solto conetado a porta digital se comporta como uma antena e capta as interferências, enviando estes valores flutuantes para o Arduino.

Tanto o próprio campo eletromagnético dos outros fios e componentes no circuito, quanto eletricidade estática e outros fatores podem ser captados por esse fio que se tornou uma antena indesejada.

No circuito abaixo segure o Botão para enviar 5 Volts pressionado por alguns instantes.. Observe que o Voltímetro não vai mostrar ZERO Volts com o Botão solto:

Para funcionar, clique em Iniciar simulação:

Se preferir ajuste o Zoom com a roda do mouse

Como na vida real a mudança do nível lógico do Arduino não é exato, mas APROXIMADAMENTE 0 Volts e 5 Volts, pode ser que a mudança do nível lógico ALTO já aconteça com 3,5 Volts, por exemplo. Causando várias leituras erradas com essa flutuação.

Curto Circuito

Quando existe uma conexão direta entre os polos da fonte, existe pouquíssima resistência a passagem dos elétrons causando um curto-circuito, ou seja uma sobrecarga nos componentes e fiações que podem causar problemas como rompimentos e incêndios.
Então sempre que utilizamos um botão para fechar um circuito, precisamos ter uma resistência para que não ocorra o curto circuito.
Esta resistência a passagem dos elétrons pode ser oferecida por um componente, como a lâmpada no circuito acima, ou um resistor, que nada mais é que um componente feito exatamente para oferecer resistência a passagem dos elétrons.
Até o final você vai entender porque estou explicando isso. 😄

Resistores Pull-up

Por motivo de simplicidade, vamos nos focar neste tutorial em resistores de pull-up, pois eles são mais comuns que os resistores de pull-down. Eles operam usando os mesmos princípios, exceto que o resistor de pull-up é conectado a um nível alto de tensão (no nosso caso 5V), e o resistor de pull-down é conectado ao terra, ou nível baixo.

Para termos um circuito sempre fechado e poder enviar ZERO Volts e 5 Volts pra valer, utilizamos o resistor de pull-up para nos ajudar.
Observe que mesmo quando o botão está aberto, o circuito como um todo está sempre com o posistivo e negativo conectados e chegando a entrada do voltímetro. Sem antenas.

Para funcionar, clique em Iniciar simulação:

Se preferir ajuste o Zoom com a roda do mouse

Percebeu que agora o botão funciona ao contrário? Com ele aberto temos 5 Volts e com ele fechado temos ZERO Volts.
Mas isso não tem problema algum, pois basta considerarmos isto no código fonte do programa na memória do Arduino.

Fluxo dos Elétrons

Observe o fluxo dos elétrons no exemplo a seguir. Eles sempre pegam o caminho com menor resistência.
A entrada digital do Arduino (ou a lâmpada no exemplo abaixo) possui uma certa resistência, por isso os elétrons vão no sentido contrário a eles quando o botão está fechado.

Conclusão

Mantendo o circuito com a fonte de energia sempre fechado, garantimos a chegada de ZERO e 5 Volts quando precisamos. Apenas direcionando os elétrons.
Utilizando um resistor de pull-up fazemos isso sem causar um curto-circuito, pois independentemente do direcionamento do fluxo de elétrons, sempre haverá uma carga (resistência) no caminho de volta até a fonte.

Dica final de ouro!

Prevendo tudo isso algumas placas (como o Arduino Uno) adicionaram resistores de pull-up diretamente em seus circuitos.
Para habilitar basta inicializar o pino de entrada conforme a seguir:

//Supondo que seja o pino 8
pinMode(8, INPUT_PULLUP);

E fazer a ligação do botão entre o pino de entrada digital e o GND:

Agora você realmente sabe como e porquê utilizamos o resistor de pull-up para entradas digitais no Arduino.

Referências

https://portal.vidadesilicio.com.br/entradas-e-saidas-digitais/
https://www.embarcados.com.br/arduino-uno/
https://www.embarcados.com.br/pinos-digitais-do-arduino/https://www.embarcados.com.br/pinos-digitais-do-arduino/
http://www.bosontreinamentos.com.br/eletronica/curso-de-eletronica/eletronica-o-que-sao-resistores-de-pull-up/
https://www.youtube.com/watch?v=85JBpY0lBaQ
https://www.youtube.com/watch?v=CVJtWZqZ18I
https://www.arduino.cc/en/Tutorial/InputPullupSerial

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