Estação de
temperatura e umidade

No módulo 1 lemos um sensor e imprimimos o resultado no monitor serial, que só existe enquanto há um computador ligado à placa. Neste módulo o projeto ganha uma tela própria: um display LCD de 16 colunas por 2 linhas mostra a temperatura e a umidade medidas por um DHT22, e o conjunto passa a funcionar sozinho, ligado em qualquer carregador USB.

Toda a formação acontece no Wokwi, um simulador de microcontroladores que roda no navegador. Ele compila o mesmo código que você gravaria na placa, simula o ESP32-S3, o sensor e o display, e deixa você mudar a temperatura com um controle deslizante. Assim cada pessoa monta e testa o circuito sem precisar de componentes, e quem quiser repetir em casa com peças de verdade encontra no capítulo 7 o que muda fora do simulador.

O que você vai levar deste módulo

• Montar e simular um projeto completo de ESP32 no Wokwi, do zero.
• Entender como o DHT22 transmite uma medição por um único fio.
• Entender o barramento I2C: dois fios, endereços e resistores de pull-up.
• Escrever no LCD 16x2, inclusive com um caractere que você mesmo desenha.
• Saber o que precisa mudar para o mesmo circuito funcionar na bancada.

Pré-requisitos

Ter acompanhado o módulo 1 ajuda, mas não é obrigatório. Basta saber o que são setup() e loop() num programa Arduino. Para a simulação você precisa só de um navegador atualizado; não é preciso instalar nada nem criar conta.

Os arquivos deste módulo

Tudo o que aparece nesta apostila foi compilado e executado no Wokwi, e os arquivos estão na mesma pasta da formação:

A estação é composta por três peças. O DHT22 mede temperatura e umidade relativa do ar. O ESP32-S3 pede uma medição a cada dois segundos, formata os números e os envia ao LCD 16x2, que os mantém na tela até a próxima atualização.

Cada peça conversa com o ESP32 de um jeito diferente, e é isso que torna o projeto bom para aprender. O DHT22 usa um protocolo próprio de um fio, em que o valor de cada bit está na duração de um pulso. O LCD usa o I2C, um barramento padronizado de dois fios em que cada dispositivo tem um endereço. Quem entende esses dois protocolos já entende a maior parte dos sensores e módulos baratos do mercado.

Lista de material

No Wokwi as peças já existem. Para montar em bancada você vai precisar de:

Dentro do DHT22 existem dois elementos de medição e um pequeno microcontrolador. A umidade é medida por um sensor capacitivo: um material que absorve vapor d'água e, com isso, muda a capacitância. A temperatura vem de um termistor, um resistor cujo valor varia com o calor. O microcontrolador interno lê os dois, aplica a calibração gravada de fábrica e entrega os números já prontos, em formato digital.

DHT22 ou DHT11

No módulo 1 usamos o DHT11. O DHT22 tem a mesma pinagem e o mesmo protocolo, mas mede melhor:

O preço é a única desvantagem real do DHT22, e o intervalo de dois segundos entre leituras raramente importa: temperatura e umidade de um ambiente não mudam mais rápido do que isso.

Os quatro pinos

Como uma medição atravessa um único fio

O ESP32 e o sensor dividem o mesmo fio de dados, e por isso nenhum dos dois "força" nível alto: os dois apenas puxam a linha para o terra quando precisam de um zero e a soltam no resto do tempo. Quem traz a linha de volta para o nível alto é o resistor de pull-up. Uma leitura acontece assim:

O LCD 16x2 mostra duas linhas de dezesseis caracteres. Cada caractere é uma matriz de 5 por 8 pontos, e o controlador do display, o HD44780 ou um compatível, já sabe desenhar letras, números e símbolos comuns. Ele também guarda até oito caracteres personalizados, que você desenha ponto a ponto. É assim que este projeto mostra o símbolo de grau.

Sozinho, o display precisa de pelo menos seis fios de dados e controle. Por isso ele quase sempre vem com uma plaquinha soldada atrás, baseada no chip PCF8574, que converte esses sinais para o barramento I2C: com ela, bastam quatro fios para alimentar e controlar o display. A plaquinha também tem um trimpot para ajustar o contraste.

Como o I2C funciona

O I2C usa dois fios: SDA, por onde passam os dados, e SCL, o relógio que marca o ritmo da conversa. O ESP32 é o controlador: é sempre ele quem inicia a comunicação. Os outros dispositivos são alvos, e cada um tem um endereço de 7 bits. Vários dispositivos podem dividir os mesmos dois fios, porque só responde quem tiver o endereço chamado.

Assim como no DHT22, as linhas do I2C são de dreno aberto: os dispositivos só puxam para baixo, e são resistores de pull-up que trazem SDA e SCL de volta ao nível alto. Valores entre 2,2 kΩ e 10 kΩ funcionam na velocidade padrão; aqui usamos 4,7 kΩ, o valor mais comum.

O Wokwi simula o processador do ESP32-S3 instrução por instrução e simula também cada peça ligada a ele. O programa é compilado com o mesmo núcleo Arduino da Espressif que você instalaria na IDE, então o código que funciona aqui é o mesmo que vai para a placa.

Os três arquivos de um projeto

Abrindo o projeto deste módulo

Todos os pinos usados ficam na coluna esquerda da placa, o que deixa a fiação curta e sem cruzamentos. As cores seguem uma convenção que vale a pena adotar também na bancada: vermelho para alimentação, preto para terra, e uma cor por sinal.

O programa é lido aqui em três partes, exatamente como foi compilado e executado no Wokwi. O arquivo completo, pronto para colar, está em wokwi/sketch.ino.

1. Configuração

#include <Wire.h>
#include <DHT.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define PINO_DHT  12        // fio amarelo
#define TIPO_DHT  DHT22
#define PINO_SDA  8         // I2C padrão do ESP32-S3
#define PINO_SCL  9

DHT dht(PINO_DHT, TIPO_DHT);
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);   // endereço, colunas, linhas

// Símbolo de grau: 8 linhas de 5 pixels
byte grau[8] = { 0b01100, 0b10010, 0b10010, 0b01100, 0, 0, 0, 0 };

As três bibliotecas cuidam do trabalho pesado: Wire é o I2C do ESP32, DHT fala o protocolo do sensor e LiquidCrystal_I2C traduz comandos como "escreva na linha 2" para o que a plaquinha PCF8574 entende. Os #define reúnem no topo tudo o que depende da montagem: se você mudar um fio de pino, só precisa mudar uma linha.

O vetor grau desenha o símbolo de grau. Cada número é uma linha do caractere, e cada bit 1 acende um dos cinco pontos daquela linha:

2. setup()

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(PINO_SDA, PINO_SCL);
  dht.begin();

  lcd.init();
  lcd.backlight();
  lcd.createChar(0, grau);
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("LASER  ESP32-S3");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Iniciando...");
  delay(2000);            // o DHT22 precisa de ~2 s para a primeira leitura
  lcd.clear();
}

Wire.begin(8, 9) inicia o I2C nos pinos da montagem. Em seguida o display é inicializado, a luz de fundo é ligada e o caractere de grau é registrado. A mensagem "Iniciando..." não é só enfeite: ela cobre os dois segundos que o DHT22 precisa depois de ligado para entregar a primeira medição válida.

3. loop()

void loop() {
  float umidade     = dht.readHumidity();
  float temperatura = dht.readTemperature();

  if (isnan(umidade) || isnan(temperatura)) {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Falha no sensor ");
    Serial.println("Falha na leitura do DHT22");
  } else {
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Temp: ");
    lcd.print(temperatura, 1);
    lcd.write(0);           // o caractere de grau criado acima
    lcd.print("C   ");

    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Umid: ");
    lcd.print(umidade, 1);
    lcd.print(" %   ");

    Serial.printf("Temperatura: %.1f C | Umidade: %.1f %%\n", temperatura, umidade);
  }

  delay(2000);              // o DHT22 aceita no máximo uma leitura a cada 2 s
}

A cada volta, o programa lê umidade e temperatura. Se qualquer uma vier como NaN, a sigla de not a number com que a biblioteca avisa que a leitura falhou, o display mostra "Falha no sensor". Caso contrário, os valores são escritos com uma casa decimal. O delay(2000) respeita o intervalo mínimo do DHT22.

Os três testes feitos no Wokwi

O terceiro teste confirma que o programa detecta a falha em vez de mostrar números inventados.

Situação	O que o display mostrou
Sala, 26,5 °C e 62 %
Frio, −5,2 °C e 88,4 %
Fio de dados desconectado

O simulador é ideal para aprender e testar a lógica, mas ele modela os componentes como peças perfeitas. Na bancada, três detalhes fazem diferença.

1. Os pull-ups escondidos na plaquinha I2C

Quase toda plaquinha PCF8574 vendida no Brasil já traz resistores de pull-up ligados ao VCC dela. Com o display alimentado em 5 V, esses resistores puxam SDA e SCL para 5 V. Somar os nossos 4,7 kΩ para 3V3 não resolve: os dois resistores formam um divisor, e a linha fica em torno de 4 V, ainda acima do que o ESP32-S3 suporta.

Há duas saídas corretas:

2. Descubra o endereço do display

Se o display acende mas não mostra nada mesmo com o contraste ajustado, o endereço pode ser 0x3F em vez de 0x27. Este programa varre o barramento e imprime o endereço de cada dispositivo que responder. No Wokwi ele encontra o display em 0x27:

// Scanner I2C: lista o endereço de cada dispositivo no barramento.
// Use antes do programa principal se o LCD não mostrar nada.

#include <Wire.h>

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin(8, 9);                 // SDA, SCL
  delay(500);

  Serial.println("Procurando dispositivos I2C...");
  int encontrados = 0;
  for (byte endereco = 1; endereco < 127; endereco++) {
    Wire.beginTransmission(endereco);
    if (Wire.endTransmission() == 0) {
      Serial.printf("Dispositivo em 0x%02X\n", endereco);
      encontrados++;
    }
  }
  if (encontrados == 0) Serial.println("Nenhum dispositivo. Confira SDA, SCL e alimentacao.");
}

void loop() {}

Procurando dispositivos I2C...
Dispositivo em 0x27

3. Gravando na placa

Na IDE do Arduino, instale o suporte ao ESP32 e as bibliotecas DHT sensor library (aceitando a dependência Adafruit Unified Sensor) e LiquidCrystal I2C, de Frank de Brabander. Selecione a placa ESP32S3 Dev Module e lembre do detalhe do módulo 1: na porta marcada USB, a opção USB CDC On Boot precisa estar em Enabled para o monitor serial funcionar; na porta UART, em Disabled.

Desafios

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