¿Qué es Arduino?
Arduino es una tarjeta electrónica que integra básicamente a un microcontrolador y un conjunto de pines de conexión de entradas y salidas que permiten, mediante un determinado programa, interaccionar con el medio físico mediante sensores y actuadores electrónicos. De esta forma podrás crear tus propios proyectos tecnológicos, dotarlos de sensores que detecten magnitudes físicas como luz, calor, fuerza, etc… y en base a esa información, escribiendo un programa, activar otros dispositivos (actuadores) como pequeñas bombillas, ledes, servomotores, pequeños motores DC, relés, etc… Los sensores se conectan a los pines de entrada y los actuadores a los de salida.
¿Qué es un microcontrolador?
Es un circuito integrado que se puede programar, o sea que puede ejecutar las órdenes que tenga almacenadas en su memoria. Tiene las tres funciones principals de un computador: la unidad central de proceso, memoria y entradas y salidas.
Arduino utiliza la marca ATMEL, y el modelo de microcontrolador depende del tipo de tarjeta, por ejemplo la tarjeta Arduino Uno utiliza el micro ATMEL MEGA 328P.
Arduino utiliza la marca ATMEL, y el modelo de microcontrolador depende del tipo de tarjeta, por ejemplo la tarjeta Arduino Uno utiliza el micro ATMEL MEGA 328P.
¿Qué se puede hacer con Arduino, algún ejemplo?
Realmente el límite lo marca tu imaginación pero por dar alguna pista, podrías diseñar un sistema para la apertura y cierre de la puerta de un garaje, hacer un robot móvil que detecte objetos o que siga una línea negra, crear un detector de luz y oscuridad, implementar un termómetro, controlar un cilindro neumático, etc…
En este manual tienes múltiples ejemplos de pequeños proyectos para el aula, aunque Arduino es una herramienta que también se utiliza en el ámbito profesional para monitorización de sensores y automatización a pequeña escala por su flexibilidad, fiabilidad y precio.
En este manual tienes múltiples ejemplos de pequeños proyectos para el aula, aunque Arduino es una herramienta que también se utiliza en el ámbito profesional para monitorización de sensores y automatización a pequeña escala por su flexibilidad, fiabilidad y precio.
¿Qué son las entradas y salidas?
La tarjeta cuenta con:
- UN GRUPO DE PINES NUMERADOS DEL 0 AL 13 que pueden actuar como entradas y salidas digitales; algunos de estos pines pueden también configurarse como salidas analógicas (3,5,6,9,..); observa que llevan el símbolo "-".
- UN GRUPO DE PINES NUMERADOS DESDE EL A0 AL A5 que son entradas analógicas en las que los valores de entrada varían entre 0 y 5 voltios, pero al ser analógicas, presentan valores intermedios en un rango de 0 a 1023 posibles valores, esto es, con una precisión de 10 bits.
En estas entradas y salidas digitales, los valores de salida pueden ser 0 voltios (si la entrada oscila entre 0 y 2voltios), que corresponde a un valor lógico de 0-LOW, o 5 voltios, es decir, valor lógico 1 o HIGH (si la entrada oscila entre 3 y 5 voltios).
En cuanto a las salidas analógicas, los valores oscilan entre 0 y 5 voltios y sus intermedios. Con una precisión de 8 bits, es decir un rango de salida de 0 a 255 posibles valores intermedios.
Mediante los conectores de Arduino correspondientes a las entradas y salidas podemos comunicar nuestros programas con el “mundo exterior”. Si queremos leer el valor de la magnitud física medida un sensor, por ejemplo una LDR que detecta el nivel de luminosidad, lo tendremos que hacer conectando el sensor a uno de los pines de entrada (en este caso analógicas) de la tarjeta.
De esta forma con una simple instrucción de lectura en el programa, podremos obtener el valor de la magnitud física. Si nuestra intención es actuar o “hacer algo” una vez leído el valor del sensor, por ejemplo encender un led si el sensor de luminosidad detecta oscuridad, tendremos que conectar el actuador (en este caso el led) a un pin de salida que proporcionará la corriente necesaria para activarlo.
- UN GRUPO DE PINES NUMERADOS DEL 0 AL 13 que pueden actuar como entradas y salidas digitales; algunos de estos pines pueden también configurarse como salidas analógicas (3,5,6,9,..); observa que llevan el símbolo "-".
- UN GRUPO DE PINES NUMERADOS DESDE EL A0 AL A5 que son entradas analógicas en las que los valores de entrada varían entre 0 y 5 voltios, pero al ser analógicas, presentan valores intermedios en un rango de 0 a 1023 posibles valores, esto es, con una precisión de 10 bits.
En estas entradas y salidas digitales, los valores de salida pueden ser 0 voltios (si la entrada oscila entre 0 y 2voltios), que corresponde a un valor lógico de 0-LOW, o 5 voltios, es decir, valor lógico 1 o HIGH (si la entrada oscila entre 3 y 5 voltios).
En cuanto a las salidas analógicas, los valores oscilan entre 0 y 5 voltios y sus intermedios. Con una precisión de 8 bits, es decir un rango de salida de 0 a 255 posibles valores intermedios.
Mediante los conectores de Arduino correspondientes a las entradas y salidas podemos comunicar nuestros programas con el “mundo exterior”. Si queremos leer el valor de la magnitud física medida un sensor, por ejemplo una LDR que detecta el nivel de luminosidad, lo tendremos que hacer conectando el sensor a uno de los pines de entrada (en este caso analógicas) de la tarjeta.
De esta forma con una simple instrucción de lectura en el programa, podremos obtener el valor de la magnitud física. Si nuestra intención es actuar o “hacer algo” una vez leído el valor del sensor, por ejemplo encender un led si el sensor de luminosidad detecta oscuridad, tendremos que conectar el actuador (en este caso el led) a un pin de salida que proporcionará la corriente necesaria para activarlo.
¿Dónde se conectan los sensores a las entradas analógicas o digitales?
Los sensores utilizados en los proyectos que vamos a utilizar son de salida analógica, es decir proporcionan una variación de voltaje dentro de un rango (normalmente de 0 a +5V) dependiendo de lo que varíe la magnitud física medida. Muchos sensores son resistivos (luz, temperatura, humedad,…), es decir que varían su resistencia eléctrica con la magnitud física, pero mediante un sencillo montaje de divisor de tensión conseguimos una variación de voltaje apta para Arduino. Estos montajes los veremos en las prácticas del manual.
Una vez realizadas las conexiones, si midiéramos la salida del sensor con un voltímetro nos daría un valor decimal, por ejemplo un nivel de luz “intermedio” (rango de 0 a 5V) de un sensor de luz podría dar 3,3 voltios. Este tipo de información el microcontrolador no la entiende tal cual, sólo es capaz de interpretar números binarios (“0” ó “1”) por lo que para traducir los valores analógicos dispone internamente de un conversor analógico – digital que hará la conversión entre los dos sistemas, de forma que podremos tener valores discretos de la medida de los sensores analógicos.
Una vez realizadas las conexiones, si midiéramos la salida del sensor con un voltímetro nos daría un valor decimal, por ejemplo un nivel de luz “intermedio” (rango de 0 a 5V) de un sensor de luz podría dar 3,3 voltios. Este tipo de información el microcontrolador no la entiende tal cual, sólo es capaz de interpretar números binarios (“0” ó “1”) por lo que para traducir los valores analógicos dispone internamente de un conversor analógico – digital que hará la conversión entre los dos sistemas, de forma que podremos tener valores discretos de la medida de los sensores analógicos.
Entonces, ¿qué utilidad tienen las entradas digitales?
Las entradas digitales son útiles cuando las señales a leer son valores discretos. Por ejemplo queremos poner un pulsador o un interruptor que encienda un led. Hacemos un montaje que cuando se pulse, entren 5 voltios en el pin digital de entrada y cuando no se pulse que “entren” 0 voltios. De esta manera la lectura del pin digital de entrada será “HIGH” con 5 voltios o “LOW” con 0 voltios.
¿Qué son las salidas digitales etiquetadas con PWM (~)?
Son salidas digitales que simulan una salida analógica. Las siglas significan Modulación por Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation) o proporcionan una onda cuadrada con un nivel alto (+5V) de “cierta” duración.Es muy útil para activar servomotores y llevarlos a una posición determinada o variar la luminosidad de un led. Lo puedes ver más explicado en la siguiente sección.
¿Puedo accionar motores DC con Arduino?
Si son motores muy pequeños sí sería posible aunque no es recomendable. Los motores necesitan un consumo alto de corriente, sobre todo si tienen que mover cierta carga, por lo que se recomienda o bien utilizar una tarjeta Shield o extensión de Arduino que dispone de circuitería apta para proporcionar dicha corriente (transistores). En este manual utilizamos una Shield bautizada como Edubásica de elaboración propia que dispone de un transistor y un circuito integrado LM293 para realizar esta función, además de otras ventajas para el aprendizaje de Arduino.
Placa Arduino
Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing).Entradas y salidas
La placa Arduino Duemilanove o UNO consta de:14 entradas digitales configurables Entrada/Salidas que operan a 5 ó 0 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA.
Los pines 3, 5, 6, 8, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier dispositivo a los pines 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB.
6 entradas analógicas con una resolución de 10 bits que proporcionan un número entero de 0 a 1023. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios.
Pines de la placa
Elementos con los que podemos interactuar: (tomando como ejemplo la placa USB). Empezando en el sentido de las agujas del reloj desde el centro de la parte superior:
- Pin de referencia analógica (naranja).
- Señal de tierra digital (verde claro).
- Pines digitales 2-13 (verde).
- Pines digitales 0-1 / entrada y salida del puerto serie: TX/RX (azul) (estándar de comunicación serie IC2).
- Botón de reset (negro).
- Entrada del circuito del programador serie (marrón).
- Pines de entrada analógica 0-5 (azul oscuro).
- Pines de alimentación y tierra (naranja y naranja claro).
- Entrada de la fuente de alimentación externa (9-12V DC) – X1 (gris).
- Conmutación entre fuente de alimentación externa o alimentación a través del puerto USB – SV1. En las placas más reciente la conmutación de la alimentación se realiza con un MOSFET.
- Puerto USB (rojo).
Las placas: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove o UNO y Arduino Mega están basados en los microcontroladores Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280 respectivamente.
Las especificaciones de cada uno de los microcontroladores se exponen en la tabla siguiente:
Las especificaciones de cada uno de los microcontroladores se exponen en la tabla siguiente:
SHIELDS para Arduino
Las llamadas Shields (escudos) para Arduino son tarjetas que añaden funciones a la placa Arduino.
Como se ha comentado antes, Arduino por sí sola no puede proporcionar la suficiente intensidad para alimentar motores, relés o electroválvulas. El límite de intensidad que proporciona cada una de las salidas digitales es de 40 mA. Para poder activar estos dispositivos tendremos que montar un circuito externo adicional con transistores o circuitos integrados específicos para motores, como es el caso del LM293, que entregan la intensidad suficiente. Para facilitarnos la tarea existen unas placas adaptadas a los pines de Arduino que se ensamblan directamente sobre ella a modo de "escudo" (de ahí su nombre, shileds) y nos permiten tener pines adicionales para alimentar las cargas que Arduino por sí solo no es capaz de mover.
Hay también otro tipo de "shields" que proporcionan funciones como conexión Ethernet, WIFI, XBee, GSM, Host USB, etc... Actualmente hay decenas de ellas en el mercado. Puedes encontrar una larga lista de ellas en http://playground.arduino.cc/Main/SimilarBoards#goShie
Algunos ejemplos:
ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA
Uno de los aspectos claves para el buen funcionamiento de proyectos con Arduino que incluyan elementos que consuman una intensidad superior a 200 mA como motores, relés, electroválvulas, etc... es la alimentación eléctrica de la placa. Normalmente tenemos dos posibilidades para alimentar Arduino:
Mediante el cable USB conectado al ordenador:
- Cada pin proporciona 40 mA.
- El límite proporcionado por el USB es de 500 mA en total.
Utilizando una fuente de alimentación externa conectada al jack de Arduino (fuente de voltaje, adaptador de corriente, batería o portapilas) :
- El voltaje recomendado de la fuente externa está entre 9 y 12 V.
- La intensidad máxima que puede entregar Arduino a los actuadores que queramos controlar (servos, motores, relés,...) es de 1A, aunque una exposición prolongada a esta corriente puede estropear la placa. Lo recomendable son 800 mA.
- El pin serigrafiado con Vin proporciona directamente el voltaje de la fuente conectada al jack de Arduino (menos la caída de tensión del diodo de protección), desde ese pin podemos sacar un cable y alimentar a los actuadores que necesitemos. Por ejemplo, si alimentamos con una pila externa de 9 V conectada al jack, en el pin Vin tendremos aproximadamente 9 V (hay que restar la caída de tensión del diodo de protección). Además en los pines 5V y 3.3V dispondremos también de dichos voltajes aunque la fuente externa sea de 9V.
Si conectamos demasiada carga, la placa Arduino suele tener un comportamiento anómalo pudiéndose se resetear el micro.
Conectando el positivo (+Vcc) de la fuente externa a Vin y el negativo a GND:
Podemos alimentar Arduino externamente si necesidad de conector Jack a través de Vin y GND el problema es que nos saltamos un diodo de protección que evita que se queme el circuito por un exceso de corriente.
CONCLUSIÓN:
- Si necesitamos hacer funcionar actuadores de bajo consumo (luces, zumbadores, etc...) podremos trabajar directamente con el USB conectado al ordenador.
- Si necesitamos mover cargas, excitar bobinas u otros elementos de mayor consumo lo recomendable es alimentar externamente Arduino desde el Jack con un rango de 9 a 12 V.
ENTORNO DE PROGRAMACIÓN DE ARDUINO. IDE.
El entorno de desarrollo Arduino (IDE, Integrated development environment) está constituido por un editor de texto para escribir el código, un área de mensajes, una consola de texto, una barra de herramientas con botones para las funciones comunes, y una serie de menús. Permite la conexión, por USB, con el hardware de Arduino para cargar los programas y comunicarse con ellos.
Arduino utiliza para escribir el código fuente o programa de aplicación lo que denomina "sketch" (programa). Estos programas son escritos en el editor de texto. Existe la posibilidad de cortar/pegar y buscar/remplazar texto. En el área de mensajes se muestra información mientras se cargan los programas y también muestra errores. La consola muestra el texto de salida para el entorno de Arduino incluyendo los mensajes de error completos y otras informaciones. La barra de herramientas permite verificar el proceso de carga, creación, apertura y guardado de programas, y la monitorización serie.
Encontraremos otros comandos en los cinco menús: Archivo, Editar, Programa, Herramientas, Ayuda. Los menús son sensibles al contexto, lo que significa que estarán disponibles sólo los elementos relevantes para la tarea que esté realizando en ese momento.
¿Cómo se programa Arduino?
Las partes principales de un programa hecho en Arduino son: Bloque de inclusión de módulos y declaración de variables, bloque de configuración void setup() donde se indica el modo de funcionamiento de los pines (entrada y salida), comunicación serie, etc... y bloque de ejecución continua void loop(), en este bloque se incluyen las acciones que queremos que realice el programa. Se ejecutará línea a línea de forma secuencial y continua. Cuando llegue a la última instrucción incluída en la función loop() volverá a ejecutar la primera y continuará en un bucle infinito.
¿Arduino tiene que estar continuamente conectada a un ordenador?
Sólo es necesario que esté conectado al ordenador mediante el USB para cargar los programas o para visualizar en tiempo de ejecución datos del programa mediante la consola serie. El ordenador proporciona la energía eléctrica suficiente para que funcionen los programas, pero una vez cargado el programa en la memoria del microcontrolador de Arduino se puede desconectar del USB y alimentar a la tarjeta mediante una fuente externa mediante el jack de alimentación con un margen de (5 a 20 Voltios). El programa cargado en Arduino queda grabado permanentemente aunque cese el suministro eléctrico.
¿Qué voy a aprender con este manual?
Aprenderás a realizar pequeños proyectos y prácticas cuya base de control es la tarjeta Arduino y en algunos casos la shield “Edubásica”. EDUBÁSICA es una tarjeta que se coloca sobre Arduino y lleva integrados muchos de los componentes básicos para realizar las prácticas de electrónica, y ciertos proyectos tecnológicos de una manera muy sencilla, aunque todas las prácticas se pueden implementar sin el uso de esta tarjeta. La idea del manual es integrar los contenidos del currículo en 4º de Enseñanza Secundaria Obligatoria (alumnos de 15-16 años) con diferentes proyectos para que el alumno consiga un aprendizaje significativo de la Tecnología.
Para una mayor información y manejo de la instalación del entorno de programación, lenguaje de programación y librerías se encuentra en la página web de la comunidad Arduino:
www.arduino.cc (portal en inglés, más actualizada).
www.arduino.es (portal en español).
EDUBASICA
EDUBASICA es una tarjeta de prototipado rápido para conectar a Arduino. Incluye componentes electrónicos básicos para gran varieda de prácticas y proyectos. Es una tarjeta multipropósito con componentes electrónicos incluidos que puedes usar para fabricar un robot, controlar un sistema de poleas, activar barreras, comunicar dispositivos bluetooth, y todo lo que te puedas imaginar.
ESQUEMAS Y PCB PARA SU FABRICACIÓN:
Disponemos de un repositorio de github para la descarga de los esquemas de Edubásicahttps://github.com/jorgeroden/edubasica. En él se incluyen las posibles modificaciones de la placa junto a los programas de test. En cualquier caso los esquemas para la última versión, en el momento de redactar este manual, se adjuntan aquí.
