Clase 16. Introducción Arduino

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UNIVERSIDAD DE PAMPLONA Facultad de Ingenierías y Arquitectura Ingeniería Mecatrónica Docente Cristhian Ivan Riaño Jaimes

PROGRAMACIÓN MECATRÓNICA Introducción Arduino 20 de Mayo 2013

INTRODUCCIÓN ARDUINO

Ilustración 1 Arduino UNO.

Ilustración 2Arduino MEGA 2560

Objetivos 

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Describir las características básicas de la placa Arduino One y Arduino Mega 2560 y se brinden las condiciones necesarias para realizar la programación de las mismas. Acercar al diseño y desarrollo de proyectos basados en Arduino. Brindar opciones de simulación para las tarjetas Arduino.

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Características Generales La plataforma Arduino es una plataforma open-hardware con ideología de electrónica libre, basada en una sencilla placa con entradas y salidas (E/S), analógicas y digitales por lo que su diseño es de libre acceso. La filosofía de software libre permite: Estudiar el Hardware para entender cómo funciona. Hacer modificaciones al Hardware. Poder compartir modificaciones con la comunidad. Tener acceso a una comunidad activa de usuarios y desarrolladores. Gran cantidad de software y hardware disponible para autoconstruir. Precios bajos.      

Arduino puede adquirir variables de su entorno mediante sus entradas por medio de sensores y puede generar acciones que alteren el entorno mediante la manipulación de sus salidas. A continuación se mencionan algunos de los campos de aplicación:    

Robótica Móvil. Instrumentación y sensórica. Control de Proceso. Domótica.

Hay muchos otros microcontroladores y plataformas microcontroladoras similares a la plataforma Arduino disponibles como, Parallax Basic Stamp, Netmedia's BX-24, Phidgets, MIT's Handyboard, y muchas otras. La principal características de estas herramientas es facilitar la programación del Microcontrolador y hacer más versátil y factible para distintos proyecto. Selecciona Arduino trae las siguientes ventajas respecto a las otras: 

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Barato: Las placas Arduino son baratas comparadas con otras plataformas micro controladoras. La versión menos cara del módulo Arduino puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino preensamblados cuestan menos de 50$. Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores están limitados a Windows. Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero suficientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto (open-source), disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerías C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje assembler.

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Código abierto y hardware extensible: El Arduino está basado en microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo, extendiéndolo y mejorándolo. Incluso usuarios relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo para entender cómo funciona y ahorrar dinero.

Arduino UNO y MEGA es una tarjeta electrónica basada en el Microcontrolador Atmega328 y ATmega2560 respectivamente. Arduino UNO Dispone de 14 entradas/salidas digitales, 6 de las cuales se pueden emplear como salidas PWM (modulación de anchura de pulsos). Dispone también de 6 entradas analógicas, un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un conector ICSP y un pulsador para el reset. Arduino Mega 2560 es una versión ampliada de la tarjeta original de Arduino y está basada en el Microcontrolador Atmega2560. Dispone de 54 entradas/salidas digitales, 14 de las cuales se pueden utilizar como salidas PWM (modulación de anchura de pulso). Además dispone de 16 entradas analógicas, 4 UARTs (puertas series), un oscilador de 16MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, un conector ICSP y un pulsador para el Reset. Una de las diferencias principales de la tarjeta Arduino MEGA 2560 es que no utiliza el convertidor USB-serie de la firma FTDI. Por lo contrario, emplea un Microcontrolador Atmega8U2 programado como actuar convertidor USB a serie. La tarjeta Arduino MEGA2560 es compatible con la mayoría de los shield o tarjetas de aplicación/ampliación disponibles para las tarjetas Arduino UNO original. Las características más relevantes se resumen a continuación: Arduino Uno Microcontrolador ATmega328 Voltaje de 5V Operación Alimentación 7-12V (Recomendado) Pines líneas de 14 entradas/salidas Digitales Salidas PWM 6 Entradas Analógicas 6 Corriente Máxima 40mA por Pin Comunicación serial Memoria Flash 32 Kb Memoria SRAM, 2Kb Memoria EEPROM 1 Kb (para variables de datos no volátiles) Frecuencia del Reloj 16 MHz

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Arduino Mega Microcontrolador ATmega2560 Voltaje de 5 V Operación Alimentación 7-12V (Recomendado) Pines líneas de 54 entradas/salidas Digitales Salidas PWM 14 Entradas Analógicas 16 Corriente Máxima 40mA por Pin Comunicación Serial Memoria Flash 256Kb 8Kb Memoria EEPROM 4Kb (para variables de datos no volátiles) Frecuencia del Reloj 16 MHz

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Descripción Física La tarjeta Arduino UNO Y Mega puede ser alimentada a través de la conexión USB o con un suministro de energía externo. La alimentación externa (no USB) puede venir o desde un adaptador AC-a-DC o desde una batería. El adaptador puede ser conectado mediante un enchufe centro-positivo en el conector de alimentación de la placa. Los cables de la batería pueden insertarse en las cabeceras de los pines Gnd y Vin del conector POWER ya que la tarjeta cuenta con un regulador de voltaje de buena eficiencia. El rango recomendado es de 7 a 12 voltios.

Pin POWER Pin VIN: La entrada de tensión a la placa Arduino cuando está usando una fuente de alimentación externa (al contrario de los 5 voltios de la conexión USB u otra fuente de alimentación regulada). Puedes suministrar tensión a través de este pin, o, si suministra tensión a través del conector de alimentación, acceder a él a través de este pin. Pin 5V. El suministro regulado de energía usado para alimentar al Microcontrolador y otros componentes de la placa. Este puede venir o desde V IN a través de un regulador en la placa, o ser suministrado por USB u otro suministro regulado de 5 V. Pin 3.3V. Un suministro de 3.3 V generado por el chip FTDI de la placa. La corriente máxima es de 50mA. Pin GND. Pines de Tierra.

Ilustración 3 Distribución Pines Arduino UNO

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PIN Digital (PWM~) Cada uno de los 14 pines digitales de la Arduino Uno al igual que los 54 de la Arduino Mega puede ser usado como entrada o salida, usando funciones pinMode(), digitalWrite() y digitalRead()2. Operan a 5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una resistencia interna pull-up (desconectada por defecto) de 20-50 KOhms. Además, algunos pines tienen funciones especiales: Pin Serial: 0 (Rx) y 1 (Tx). Usados para recibir (Rx) y transmitir (Tx) datos TTL en serie. Estos pines están

conectados a los pines correspondientes del chip FTDI USB-a-TTL Serie. Interrupciones Externas Estos pines pueden ser configurados para disparar una interrupción interna, con flanco de subida o flanco de bajada. Mirar la función attachInterrupt(). Pin 2 y 3.

Pin PWM: 3, 5, 6, 9, 10 y 11. Proporcionan salida PWM de 8 bits con la función analogWrite() Pin SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Estos pines soportan comunicación SPI ( Serial Peripheral Interface), la cual, aunque proporcionada por el hardware subyacente, no está

actualmente incluida en el lenguaje Arduino. Pin LED: 13. Hay un LED empotrado conectado al pin digital 13. Cuando el pin está a valor HIGH, el

LED está encendido, cuando el pin está a LOW, está apagado.

Pines Analog Input El Arduino UNO tiene 6 entradas analógicas, cada una de las cuales proporciona 10 bits de resolución (por ejemplo 1024 valores diferentes). Por defecto miden 5 voltios desde tierra, aunque es posible cambiar el valor más alto de su rango usando el pin ARF y algún código de bajo nivel. Además, algunos pines tienen funcionalidad especializada: Pin TWI: A4 o SDA and A5 o Pin SCL Soportan comunicación I²C (TWI) usando la libreria Wire5. .

Hay otro par de pines en la placa. Pin AREF Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Usado con analogReference(). .

Pin Reset. Pone esta linea a LOW para resetear el Microcontrolador. Típicamente usada para

añadir un botón de reset a dispositivos que bloquean a la placa principal. Sistemas de Identificación: Es una aproximación experimental. Se desarrollan algunos experimentos en el proceso y se determina un modelo, con unos parámetros asignados que no tiene un significado físico.

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Comunicación La Arduino UNO y Mega tiene un número de infraestructuras para comunicarse con un ordenador, otro Arduino, u otros microcontroladores. El ATmega 328 provee comunicación serie UART TTL(5V), la cual está disponible en los pines digitales 0 (Rx) y 1 (Tx). Un ATmega16U2 en la placa canaliza esta comunicación serie al USB y los drivers (incluidos con el software Arduino) proporcionan un puerto de comunicación virtual al software del ordenador. El software Arduino incluye un monitor serie que permite a datos de texto simple ser enviados a y desde la placa Arduino. Una libreria SoftwareSerial permite comunicación serie en cualqu iera de los pines digitales de la Uno’s.

Programación Para iniciar hay que conectar la placa Arduino al ordenador y cargar una primera rutina para lo cual seguiremos los siguientes pasos. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Descargar el entorno Arduino. Lo podemos descargar del siguiente enlace. Download. Instalar los Drivers Usb. Tan pronto conectemos el dispositivo saldrá una viso el dispositivo no se reconoce por lo que debemos direccionar en el equipo. Conectamos la placa Arduino si es por primera vez observamos como parpadea un led. Luego de descargar el entono Arduino descomprimimos la carpeta no necesita instalación y realizamos doble click en la aplicación Arduino. Abrimos una Rutina que nos proporciona como ejemplo que es el parpadeo de un Led en la siguiente ruta “arduino-1.0.5-windows\arduino-1.0.5\examples\01.Basics\ Blink”. El Arduino Uno’s y Mega puede ser programado con el software Arduino. Seleccione el tipo de Board o tarjeta con la que se cuenta como se muestra en la Ilustración 44.

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Ilustración 4. Seleccionar Board.

7.

Seleccionar el dispositivo serie de la placa Arduino desde el menu Herramientas > Puerto Serie. En Windows, este debería ser COM1 o COM2 para la placa serie Arduino, o COM3, COM4 o COM5 para la placa USB. Para estar seguro de la elección nos dirigimos Administrador de Dispositivos de Windows (En la pestaña Hardware o en el Panel de Control de Sistema). Buscar puertos (COM y LPT) identificamos el COM de la placa Arduino para nuestro caso COM4 como se parecía en la Ilustración 5.

Ilustración 5 Selección Puerto Serie.

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Luego de tener seleccionada la tarjeta y el puerto procedemos a verificar el programa y por último en archivo cargar después de unos pocos segundos se encenderán los leds TX y RX que indican que la comunicación serie se estableció. como se muestra en la Ilustración 6.

Simulación

Ilustración 6 Cargar Programa en Tarjeta Arduino.

Trabajar con las tarjetas Arduino brinda ciertas ventajas pues trabaja con los Chips ATmega de la empresa Atmel cuyas librerías se encuentran presentes en distintos simuladores. Simular nos permitirá observar el comportamiento de los chips con componentes virtuales (Resistencias, Leds, Motores) por lo que nos permite realizar cambios, probar rutinas, perfeccionar el desempeño y reducir costos. Para cumplir con este objetivo se propone Labcenter Electronics Proteus a la que pertenece el programa Isis, que permite la simulación de chips ATmega y la usaremos para probar los circuitos que necesitemos en los proyectos. 1.

Si abrimos el esquema correspondiente a tarjeta Arduino UNO con el Proteus, nos mostrara el diagrama que se muestra la Ilustración 7. Se aprecia con los elementos que componen la placa:

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Ilustración 7 Diagrama Arduino UNO.

2.

Para simular el código, debemos cargar el programa de la misma forma que lo haríamos con el programador solo que en este caso direccionamos el archivo resultante de la compilación al Microcontrolador. Para acceder al Microcontrolador combinamos click mas la teclas Ctrl +C y haciendo doble clic sobre el Microcontrolador se nos abrirá la ventana de configuración del ATmega328P como se muestra en Ilustración 8.

Ilustración 8 Diagrama ATmega 328P

3.

Para simular el código, debemos generar el archivo .hex el código compilado se guarda en una carpeta temporal. Para conocer la ruta en donde se guarda el .hex habilitamos la opción para mostrar la salida del compilador. Para ello vamos dentro del software de Arduino a Archivo - Preferencias y activamos la opción mostrar resultado detallado durante “compilación” como se muestra en la Ilustración 9 .

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Ilustración 9. Mostrar Resultado detallado durante Compilación.

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Es recomendable crear un acceso directo para la ruta que nos proporciona el software Arduino en la parte inferior para acceder al archivo hex rapidamente.

Ilustración 10. Ruta de archivo *.Hex

5.

Luego que conocemos la ruta del archivo *.Hex generado en la compilación lo cargamos al microcontrolador realizando doble click sobre él nos aparece la ventana “Edit Component” y en “Program File” seleccionamos el archivo como se muestra en la Ilustración 11

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Ilustración 11 Cargar Archivo Hex en el Microcontrolador.

6.

El Microcontrolador ya tiene la rutina a ejecutar, por lo que salimos de la ventana aceptando los cambios, pulsamos CTRL+X para volver al circuito del Arduino y hacemos clic sobre el boton de play para iniciar la ejecución del código, observando su comportamiento. Estructura Básica de un Programa.

La estructura de programación de Arduino es simple y divide la ejecución en por lo menos dos partes o funciones que encierran bloques de declaraciones setup y Loop: int led = 13; void setup() { pinMode(led, OUTPUT); //Ajusta Led como salida }

void setup() { statements; } void loop() { statements; }

void loop() { digitalWrite(led, HIGH); delay(1000); // wait for a second digitalWrite(led, LOW); delay(1000); // wait for a second

} funcione. Ambas funciones son requeridas para que el programa

setup()

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La función setup debe contener la declaración de variables al comienzo del programa. Es la primera función a ejecutar en el programa, es ejecutada una vez y es usada para asignar pinMode o inicializar las comunicaciones serie. loop()

La función loop se ejecuta luego de setup() e incluye el código que se ejecuta continuamente leyendo entradas, activando salidas, etc. Esta función es el núcleo de todos los programas Arduino y soporta la mayor parte del trabajo. Funciones

Una función es un bloque de código que tiene un nombre y un grupo de declaraciones que se ejecutan cuando se llama a la función. Podemos hacer uso de funciones integradas como void setup() y void loop() o escribir nuevas. Las funciones se escriben para ejecutar tareas repetitivas y reducir el desorden en un programa. En primer lugar se declara el tipo de la función, que será el valor retornado por la función (int, void...). A continuación del tipo, se declara el nombre de la función y, entre paréntesis, los parámetros que se pasan a la función como se muestra a continuación.

type functionName(parameters) { statements; }

int delayVal() { int v; //crea una variable temporal 'v' v = analogRead(pot); //lee el valor del potenciómetro v /= 4; //convierte 0-1023 a 0-255 return v; //devuelve el valor final de v }

Llaves {}

Las llaves definen el comienzo y el final de bloques de función y bloques de declaraciones como void loop() y sentencias for e if. Las llaves deben estar balanceadas (a una llave de apertura { debe seguirle una llave de cierre }). Las llaves no balanceadas provocan errores de compilación. El Software Arduino incluye una práctica característica para chequear el balance de llaves. Sólo se debe seleccionar una llave y su compañera lógica aparecerá resaltada. void loop() { statements; }

Trabajo en Clase

1. Completar la siguiente Tabla

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Instrucción ; (punto y coma) /*… */ (bloque de comentarios) // línea de comentarios


Descripción

Ejemplo

2. Describir como se realiza la declaración de variables en el software de programación de Arduino y completar la siguiente tabla. Instrucción Descripción Ejemplo byte int long float arrays

3. Describir como se realiza las operaciones aritméticas (Suma, Resta, Multiplicación, Division) y completar la siguiente tabla. Instrucción

Descripción

Ejemplo

x ++ x - x += y x -= y x *= y x /= y x == y x != y x < y x > y x <= y x >= y

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Bibliografía http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560

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